Патент на изобретение №2339960

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к дистанционному контролю технического состояния (ТС) элементов электроэнергетического оборудования (ЭО) (например, силовых трансформаторов или трансформаторов тока), находящегося под напряжением. Сущность: рассчитываются резонансные частоты и информативные частотные полосы ЭМИ. При этом в качестве антенн ЭО, излучающих ЭМИ, рассматриваются наружные вертикальные части вводов ЭО, выступающие за пределы проводящих прокладок вводов, уравнивающих распределение потенциала вдоль ввода, при отсутствии у ввода вышеупомянутых прокладок – сами наружные вертикальные части вводов ЭО, выступающие за пределы металлического корпуса. Кроме того, в качестве антенн рассматриваются шлейфы – соединения вводов ЭО с шинами, распределяющими электроэнергию по подстанции. Фиксируются в эквивалентных условиях интегральные мощности ЭМИ в информативных частотных полосах энергетических спектров ЭМИ вертикальной поляризации от однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования. Заключения о ТС ЭО делают на основании сравнений интегральных мощностей ЭМИ в информативных частотных полосах, зафиксированных в эквивалентных условиях у однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования. Технический результат: расширение возможностей, повышение достоверности и информативности. 4 ил.

Изобретение относится к способам дистанционного контроля технического состояния (ТС) элементов высоковольтного электроэнергетического оборудования, называемых ниже ЭО (например, силовых трансформаторов и трансформаторов тока), находящихся под рабочим напряжением, и предназначено для создания диагностических информационно-измерительных комплексов контроля технического состояния такого оборудования.

Известен способ контроля технического состояния ЭО [1], в котором ТС контролируемого ЭО определяют по электромагнитному излучению (ЭМИ) этого оборудования, находящегося под напряжением.

Данный известный способ базируется на измерении средней интенсивности потока электромагнитных импульсов, излучаемых контролируемым ЭО, находящимся под напряжением, вследствие действия разрядов в наружных и внутренних частях этого ЭО. Измерения при этом выполняются с помощью широкополосной приемной антенны произвольной поляризации, подключенной ко входу специально изготовленного регистратора средней интенсивности потока электромагнитных импульсов, излучаемых контролируемым ЭО во всей рабочей полосе частот приемной измерительной антенны. Рекомендуемые в данном известном способе частоты измерений f150÷200 МГц. По результатам измерений строят зависимость средней интенсивности потока излучаемых импульсов от порога обнаружения, а в качестве диагностических параметров используют: крутизны наклонов отрезков аппроксимирующих прямых на участках этой зависимости, количество интервалов, необходимых для такой аппроксимации, и значения координат точек перегибов указанной зависимости. При этом ТС контролируемого ЭО устанавливают по динамике изменения указанных зависимостей при выполнении серий периодических измерений на временных интервалах, разделенных месяцами и годами эксплуатации этого оборудования, то есть за эталон ТС принимается начальное ТС контролируемого ЭО. Недостатками данного способа являются, во-первых, недостаточно обоснованный диапазон частот измерений f150÷200 МГц и, во-вторых, отсутствие теоретического обоснования связи технического состояния ЭО с диагностическими параметрами как параметрами аппроксимации неких зависимостей.

Известен способ контроля технического состояния ЭО [2], в основу которого положен анализ структуры ЭМИ ЭО в высокочастотном и сверхвысокочастотном диапазоне частот, источниками которых являются частичные разряды во внутренней изоляции, с учетом конструктивных особенностей излучающих частей (узлов) ЭО. В работе предложено рассматривать высоковольтные вводы исследуемого ЭО как вибраторные антенны. В качестве критерия принятия решения относительно технического состояния принимается изменение уровней излучений ЭМИ исследуемого ЭО по сравнению с бездефектным ЭО.

В построенной в [2] модели учитываются геометрические размеры элементов конструкции ЭО, их взаимное расположение, соединение с шинами и землей. При этом рассчитываются частотные и пространственные характеристики излучения ЭМИ данного ЭО. Так, конкретно анализируется модель силового автотрансформатора типа АОДЦТН 16700/500/220, общий вид которого представлен на фиг.1. Высоковольтный ввод на напряжение 500 кВ (высотой 4,24 м) и высоковольтный ввод на напряжение 220 кВ (высотой 2,72 м) считаются в модели главными излучающими элементами. Соответствующая трехмерная модель схематически изображена на фиг.2.

Здесь обозначены:

1 – высоковольтный ввод на напряжение 500 кВ;

2 – высоковольтный ввод на напряжение 220 кВ;

3 – бак трансформатора;

4 – земля;

5 – высоковольтный ввод на напряжение 35 кВ (всего в модели учитывается 3 ввода 35 кВ);

6 – горизонтальная шина 35 кВ;

7 – горизонтальная шина 220 кВ;

8 – горизонтальная шина 500 кВ.

Указанный способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования является наиболее близким к заявляемому изобретению и принят нами за прототип. Основным достоинством данной модели является идея анализа излучающих фрагментов ЭО, в особенности – изучения частотных свойств ЭО как источника ЭМИ.

Заявленный способ имеет недостатки.

Первый недостаток связан с ограниченной возможностью его применения, поскольку подразумевается, что излучают ЭМИ вводы целиком, изолированные от заземленного металлического корпуса контролируемого ЭО. При этом не учитывается такая важная особенность конструкции высоковольтных вводов (по крайней мере, ЭО класса напряжений 110 кВ и выше), как проводящие уравнительные прокладки (имеющие цилиндрическую форму и изолированные друг от друга). Они служат для формирования оптимальной формы электрического поля изолирующего промежутка, в идеале – для создания линейного распределения потенциала вдоль ввода, и при решении задачи об излучении ввода должны быть учтены.

Второй недостаток связан с тем, что не учитываются излучающая способность шлейфов – соединений вводов с шинами. На практике шлейфы представляют собой провода, преимущественно вертикально протяженные, длиной несколько метров; на фиг.3 (фото блочного трансформатора 500 кВ на Зейской ГЭС), видно как шлейфы (9) соединяют вводы (1) с шинами (8).

Следует сделать еще одно замечание. Излучение ЭМИ от источников, находящихся внутри ЭО, происходит через совокупность антенн, следовательно, необходимо в процессе диагностики учитывать частотные свойства излучателей, которые формируют информативные частотные полосы энергетических спектров. Ясно, что эти информативные частотные полосы спектров явно зависят от размера антенны в вертикальном направлении и располагаются вблизи резонансных частот каждой i-й антенны f_in, вычисляемых по формуле:

f_in=Cn/4h_i,

где i – порядковый номер ввода ЭО,

С=3·10⁸ м/с – скорость света,

n=1, 2, 3, … – номер гармоники резонансных частот излучений антенн,

h_i – размер антенны в вертикальном направлении.

Ширина информативных частотных полос зависит от добротности антенны и других факторов и не является предметом рассмотрения настоящей задачи.

Ввиду отмеченных недостатков прототип [2] не может обеспечить достоверность диагностики для ЭО класса напряжений 110 кВ и выше, т.е. не обладает достаточной достоверностью и надежностью диагностирования широкого класса ЭО.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в расширении возможностей способа контроля ТС ЭО, обладающего в сравнении с прототипом повышенной достоверностью и информативностью.

Сущность предлагаемого в настоящей заявке способа контроля ТС ЭО, находящегося под рабочим напряжением, заключается в том, что ТС ЭО предлагается определять по ЭМИ этого оборудования аналогично [2], именно – в качестве критерия принятия решения относительно технического состояния принимается изменение энергии излучений ЭМИ исследуемого ЭО по сравнению с ЭМИ исправного ЭО, принятым за образец в следующей последовательности. Рассчитываются резонансные частоты излучателей и информативные частотные полосы ЭМИ, фиксируются в эквивалентных условиях интегральные мощности ЭМИ в информативных частотных полосах энергетических спектров ЭМИ от однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования, заключения о ТС ЭО делают на основании сравнений вышеуказанных интегральных мощностей ЭМИ в информативных частотных полосах, зафиксированных в эквивалентных условиях у однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования, причем предлагаемый способ отличается тем, что в качестве антенн ЭО, излучающих ЭМИ, рассматриваются наружные вертикальные части вводов ЭО, выступающие за пределы проводящих прокладок вводов, уравнивающих распределение потенциала вдоль ввода, при отсутствии у ввода вышеупомянутых прокладок – сами наружные вертикальные части вводов ЭО, выступающие за пределы металлического корпуса, кроме того, в качестве антенн рассматриваются шлейфы – соединения вводов ЭО с шинами, распределяющими электроэнергию по подстанции.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами – фиг.1…фиг.4.

Обратимся к анализу первого недостатка прототипа. На фиг.4 изображен внешний вид конструкции высоковольтного ввода (с разрезом) однофазного трансформатора 110 кВ (чертеж заимствован в [3], рис.12-28, стр.259).

Здесь обозначены:

10 – токоведущая труба ввода;

11 – изоляционные цилиндры, покрытые по внешней поверхности фольгированными уравнивающими проводящими прокладками, приближающими распределение потенциала по длине ввода к линейному;

12 – фарфоровый изолятор;

13 – фланец ввода, устанавливаемый на металлический корпус (бак) трансформатора;

14 – уровень плоскости установки фланца ввода;

h_в – высота наружной вертикальной части ввода;

h_a – высота наружной вертикальной части ввода, выступающей за пределы уравнивающих прокладок.

Как видно из чертежа, наружная вертикальная часть изолированной от заземленного металлического корпуса токоведущей трубы ввода имеет размер h_в. Однако токоведущая труба ввода в нижней своей части длиной (h_в-h_a) экранирована уравнивающими прокладками и может служить антенной для излучения ЭМИ, возникшего внутри бака трансформатора, лишь в верхней своей части размера h_a, выступающей за пределы уравнивающих прокладок.

Таким образом, применение способа и модели [2] возможно лишь для вводов, не имеющих уравнивающих прокладок, в противном случае расчеты резонансных частот f_in оказываются недостоверными. Корректность расчетов резонансных частот f_in для вводов, имеющих уравнивающие прокладки, обеспечивается лишь тогда, когда в качестве антенн вертикальной поляризации ЭО, излучающих ЭМИ, рассматриваются наружные вертикальные части вводов ЭО, выступающие за пределы проводящих прокладок вводов, уравнивающих распределение потенциала вдоль ввода.

Анализ второго недостатка прототипа. Рассмотрим дополнительные электрофизические возможности излучения собственных ЭМИ элементами оборудования. Токи высокой частоты, инициированные частичными разрядами и возникшие внутри заземленного металлического корпуса, поступают во вводы и замыкаются по путям: (ввод – емкость ввода – земля) или (ввод – шлейф соединения вводов ЭО с шинами – шины – емкость шлейфов и шин – земля). При этом энергия частично излучается как вводами, так и системой шлейфы – шины. Прототип рассматривает исключительно ЭМИ вводов и игнорирует возможность излучений шлейфами. Вместе с тем система шлейф – шина представляет собой классическую антенну. Если идеальный шлейф представит из себя вертикальный провод, а идеальная шина – горизонтальный провод, то собственно излучающим элементом будет являться шлейф, а шина своей емкостью на землю будет обеспечивать протекание тока высокой частоты через шлейф. Теория этого вопроса известна (например, [4], стр.392). На практике шлейфы представляют собой провода длиной несколько метров (фиг.3, поз.9). Таким образом, в число антенн ЭО следует включить и шлейфы, причем высотой такой антенны считать разность высот присоединения концов шлейфа к ЭО и к шине.

Из сказанного следует, что предложенная совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемого способа контроля ТС ЭО обеспечивает решение поставленной задачи и достижение желаемого технического результата. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа контроля ТС ЭО позволяет расширить возможности способа контроля ТС ЭО и обеспечить в сравнении с прототипом повышенную достоверность.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявляемого изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретение решило поставленную задачу.

Следовательно, заявляемое изобретение является новым и обладает изобретательским уровнем, т.к. оно не следует явным образом из известных технических решений и пригодно для практического применения.

Источники информации

1. Глухов О.А. и др., Методика оценки параметров частичных разрядов в высоковольтной изоляции при относительных измерениях их импульсных электромагнитных полей. Труды 4^го международного симпозиума по электромагнитной совместимости. – С.-Петербург, 2001, с.30-35.

2. Белушкин М.Ю., Моделирование и регистрация электромагнитных полей электроэнергетического оборудования высоковольтных подстанций. Автореферат канд. дисс. – Владивосток, ДВГТУ, 2004.

3. Вольдек А.И., Электрические машины. 3-е изд., переработанное. – Л.: Энергия, 1978, 832 с.

4. Каплянский А.Е. и др., Теоретические основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1972, с.392.

Работа выполнена при частичной поддержке грантами РФФИ 06-08-00508-а, ДВО РАН 06-III-Д-03-085, ДВО РАН 06-08-96017, ДВО РАН-СО 06-II-CO-03-008.

Формула изобретения

Способ контроля технического состояния (ТС) элементов высоковольтного электроэнергетического оборудования (ЭО), находящихся под рабочим напряжением, на основе анализа собственных электромагнитных излучений (ЭМИ) ЭО, заключающийся в расчете резонансных частот и информативных частотных полос ЭМИ, фиксировании в эквивалентных условиях интегральных мощностей ЭМИ в информативных частотных полосах энергетических спектров ЭМИ вертикальной поляризации от однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования; заключения о ТС ЭО делаются на основании сравнений вышеуказанных интегральных мощностей ЭМИ в информативных частотных полосах, зафиксированных в эквивалентных условиях у однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования, отличающийся тем, что в качестве антенн ЭО, излучающих ЭМИ, рассматриваются наружные вертикальные части вводов ЭО, выступающие за пределы проводящих прокладок вводов, уравнивающих распределение потенциала вдоль ввода, при отсутствии у ввода вышеупомянутых прокладок – сами наружные вертикальные части вводов ЭО, выступающие за пределы металлического корпуса, кроме того, в качестве антенн рассматриваются шлейфы-соединения вводов ЭО с шинами, распределяющими электроэнергию по подстанции.

РИСУНКИ