устройство для мониторинга состояния высоковольтных вводов

Формула изобретения

1. Устройство для мониторинга состояния высоковольтных вводов трехфазного электрического аппарата, подключенного к системе высоковольтных шин, содержащее устройства присоединения к измерительным выводам высоковольтных вводов всех трех фаз, выходы которых через узлы защиты токовых цепей подключены ко входам соответствующих узлов гальванической развязки и нормализации токовых сигналов, трансформатор напряжения трехфазной системы высоковольтных шин, выходы которого подключены ко входам соответствующих узлов нормализации сигналов напряжения, узел измерений, включающий в себя первый мультиплексор аналоговых сигналов и аналого-цифровой преобразователь, управляющий контроллер, электрически связанный соответствующими шинами управления и данных с вышеупомянутыми первым мультиплексором аналоговых сигналов и аналого-цифровым преобразователем, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены шесть узлов слежения/запоминания, каждый из которых имеет аналоговый вход, управляющий вход и аналоговый выход, второй мультиплексор аналоговых сигналов и узел синхронизации, при этом первый мультиплексор аналоговых сигналов выполнен восьмивходовым с одним выходом, шесть входов первого мультиплексора подключены к аналоговым выходам узлов слежения/запоминания, аналоговые входы которых подключены к трем выходам узлов гальванической развязки и нормализации токовых сигналов и трем выходам узлов нормализации сигналов напряжения, а управляющие входы подключены к цифровому выходу управляющего контроллера, оставшиеся два входа первого мультиплексора подключены к источнику эталонного напряжения и нулевому потенциалу, выход первого мультиплексора подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, аналоговые входы второго мультиплексора подключены к выходам узлов нормализации сигналов напряжения, а управляющие входы подключены к соответствующему цифровому выходу управляющего контроллера, узел синхронизации содержит первый счетчик, второй счетчик с предделителем на тактовом входе, источник тактовых импульсов и компаратор, тактовые входы первого счетчика и предделителя второго счетчика подключены к источнику тактовых импульсов, цифровые входы чтения/загрузки данных первого и второго счетчиков подключены к шине обмена данными управляющего контроллера, выход переполнения первого счетчика подключен к первому входу прерывания контроллера, выход компаратора подключен к ко входу разрешения счета второго счетчика и ко второму входу прерывания контроллера, вход переполнения второго счетчика подключен к третьему входу прерывания контроллера, а вход компаратора подключен к выходу второго аналогового мультиплексора.

2. Устройство для мониторинга состояния высоковольтных вводов трехфазного электрического аппарата по п.1, отличающееся тем, что в качестве управляющего контроллера используется интегральный микроконтроллер, а в качестве первого и второго счетчиков и генератора тактовых импульсов используются соответствующие узлы, встроенные в микроконтроллер.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике в области электрооборудования высокого напряжения и предназначено для непрерывного контроля изоляции, диагностики и защиты высоковольтных вводов силовых трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов. Технический результат - упрощение устройства и повышение его точности.

В настоящее время известен и предлагается потребителю фирмами-изготовителями ряд систем и устройств контроля состояния изоляции высоковольтных вводов под рабочим напряжением:

- Система «R1500» мониторинга и сигнализации технического состояния изоляции маслонаполненных вводов трансформаторов. Техническое описание. Производственно-внедренческая фирма «Вибро-Центр». - Пермь: www.vibrocenter.ru/r1500.htm.

- InsulGard G2 Maximizes Uptime and Reliability. Рекламный проспект. Фирма «Cutler-Hammer» Eaton Corporation. Kahaga:www.cutler-hammer.eaton.com.

- IDD - Intelligent Diagnostic Devices for Bushings. Рекламный проспект. Фирма «Doble Engineering Company». США: www.doble.com.

- Устройство контроля изоляции вводов КИВ (КИВ-500), выпускаемое промышленностью с 60-х годов прошлого века и используемое в энергетике по настоящее время (см., например, Голоднов Ю.М. Контроль за состоянием трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 88 с.: ил.).

Известен также ряд патентных материалов, выданных на устройства контроля изоляции высоковольтного оборудования и высоковольтных вводов под рабочим напряжением:

- Авторское свидетельство СССР № 296062, кл. G01R 31/02, 1968, БИ № 8, 1971 г.

- Авторское свидетельство СССР № 384080, кл. G01R 31/02, 1970, БИ № 24, 1973 г.

- Патент Российской Федерации № 2003127 С1, кл. G01R 31/02, бюл. № 41-42, 15.11.93 г.

- Патент Российской Федерации № 2145420 С1, кл. G01R 31/08, 31/12, бюл. № 4, 10.02.2000 г.

Все указанные устройства реализуют неравновесно-компенсационный метод измерений, описанный в работах П.М. Сви (например, Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 240 с.: ил.).

Этот метод и реализующие его системы обладают серьезными недостатками:

- метод позволяет только качественно, по нарастанию суммарного сигнала токов утечки изоляции вводов сделать заключение о предаварийном состоянии ввода, что для современных систем недостаточно. Любые количественные оценки деградации параметров изоляции вследствие недостатков, которые приведены ниже, специалистами энергетиками не признаются достоверными;

- способ выявления неблагополучного ввода допускает неоднозначное толкование, поскольку для любого приращения амплитуды и фазы суммарного сигнала, причиной которого считается деградация изоляции неблагополучного ввода, может быть подобрано соответствующее сочетание изменений в двух оставшихся вводах, дающее такой же результат;

- не дается начальной оценки степени деградации изоляции вводов; метод основан на априорном допущении начального благополучного состояния вводов;

- при изначальном количественном расхождении значений параметров изоляции вводов и неидентичности их зависимости от напряжения и температуры, что чаще всего случается в практике (например, при замене одного ввода), выходной сигнал будет зависеть от изменений напряжения сети, загрузки трансформатора, температуры воздуха, т.е. факторов, влияние которых теоретически должно компенсироваться;

- бесспорна зависимость выходного сигнала от нарушения симметрии напряжений сети и его гармонического состава.

Недостатки, связанные с аппаратной реализацией суммирования сигналов, устраняются в системе, защищенной патентом Российской Федерации № 2145420. В ней также задействованы сигналы от трансформатора напряжения, которые используются для вычисления комплексных проводимостей изоляции вводов, лежащих в основе защищаемой методики определения неблагополучного ввода при выявлении отклонения суммарного сигнала от заданного уровня.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, защищенное патентом Российской федерации RU 2328009 С1, кл. G01R 31/02, 2006, опубл. 27.06.2008, выбранное в качестве прототипа. В этом решении реализуется прямое измерение активных и реактивных составляющих тока утечки изоляции ввода, напряжения на вводе и частоты сети с последующим вычислением амплитуд и фазовых соотношений между током и напряжением, tg и емкости основной изоляции ввода. В основе решения лежит разложение периодических сигналов на ортогональные составляющие.

Пусть мы имеем две ортогональных синусоиды

и два подлежащих измерению сигнала (напряжение и ток), искаженных высшими гармониками и содержащих случайные искажения:

где _u - смещение фазы сигнала напряжения относительно опорной косинусоиды, - разность фаз первых гармоник сигналов тока и напряжения, (t) - случайные составляющие сигналов.

Ортогональные косинусные и синусные составляющие первых гармоник измеряемых сигналов определяются первыми членами разложения функций (3), (4) в ряды Фурье:

При этом интегралы от членов, содержащих высшие гармоники, оказываются нулевыми, и результаты интегрирования приводятся к виду

Здесь зависящие от случайных составляющих сигналов члены зависят от времени и могут содержать постоянные составляющие. Переменные их составляющие могут быть отфильтрованы, а постоянные составляющие, появляющиеся в результате смещения нулей в аналоговых частях устройства, являются ошибками измерений, и должны устраняться при калибровке устройства.

При =0 и =0 получаем

Действующее значение тока утечки ввода определяется по соотношению

а тангенс угла потерь - по соотношению

Далее определяются емкость основной изоляции ввода

и сопротивление утечки основной изоляции

В вышеприведенных выражениях для простоты не включены коэффициенты приведения сигналов к первичной стороне тока и напряжения.

В устройстве-прототипе в силу (15) не выполняется преобразование (6), перемножение в подинтегральных выражениях (5), (7) и (8) выполняется аппаратно с помощью перемножающих цифроаналоговых преобразователей, а интегрирование заменяется выделением постоянных составляющих подинтегральных выражений с помощью фильтров низкой частоты и интегрирующего АЦП или АЦП с дельта-сигма модуляцией. Генерация и синфазирование цифровых сигналов возлагается на узел задания системы отсчета, в основе которого лежит система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Благодаря этому данное устройство при всех его достоинствах по сравнению с предшественниками обладает несколькими существенными недостатками:

- Аппаратная реализация умножений приводит к значительной сложности и, следовательно, увеличению стоимости, и снижению надежности устройства.

- Наличие значительного количества аналоговых узлов в измерительном тракте приводит к возникновению смещений нуля, которые частично компенсируются при калибровке прибора специальным узлом подстройки с использованием цифрового потенциометра, что еще более увеличивает сложность устройства.

- Используемый метод предполагает точное синфазирование опорных синусоиды и косинусоиды с входным сигналом напряжения (условие =0). В то же время контур ФАПЧ осуществляет такое синфазирование с погрешностью, связанной со смещением нуля, входящего в контур перемножающего узла, и с достаточно большой инерционностью. Однако реальный входной сигнал напряжения всегда испытывает случайные флуктуации по форме, амплитуде и фазе, что приводит к появлению на выходе измерителя угла ошибки, равной флуктуации фазы напряжения. Вследствие инерционности контура ФАПЧ в этом сигнале появляются составляющие очень низкой частоты, и даже при отсутствии в нем постоянной составляющей (сверх указанной погрешности) требуется достаточно серьезная дополнительная фильтрация измеренных значений.

Целью настоящего изобретения является упрощение схемы устройства измерения с одновременным повышением его надежности и точности. Эта цель достигается, во-первых, за счет того, что используется полное преобразование по соотношениям (5)-(8) без наложения условия =0, и, во-вторых, за счет реализации этого преобразования в цифровом виде с предварительной оцифровкой входных сигналов тока и напряжения в N равноотстоящих точках на интервале интегрирования (один период частоты сети). При этом соответствии с известной теоремой квантования интегралы в первых членах ряда Фурье могут быть заменены суммированием N дискретных значений:

где m=0 для косинусных составляющих и m=1 для синусных составляющих, Т=2 / , если спектр сигнала f(t) не содержит частот, превышающих критическую частоту f_c=N/T («удвоенная частота Найквиста»). Выполнение этого условия обеспечивается некоторой фильтрацией входных сигналов в узлах нормализации. Например, при N=1024 для ослабления в 2 раз составляющих искажений с частотой более f_c , амплитуда которых и так обычно невелика, потребуется фильтр первого порядка с постоянной времени Т/1024, или ~ 20 мкс при частоте сети 50 Гц. При этом разность сдвига фаз между каналами тока и напряжения, связанная с начальным разбросом емкости конденсаторов фильтров, будет иметь порядок 1 мкс и может быть скомпенсирована программно после начальной калибровки прибора, а ее изменение со временем и с температурой при использовании высокостабильных конденсаторов - не более 0,03 мкс (~1·10^-5 рад).

Следует отметить, что дискретные значения опорных синусоидальных сигналов в данном случае задаются в цифровом виде программно и поэтому не содержат постоянных составляющих. Поэтому при интегрировании (суммировании) по (21) исключается постоянная составляющая выходного сигнала, связанная с возможным постоянным смещением входного сигнала, в отличие от прототипа, где опорные сигналы формируются аппаратно и могут иметь постоянное смещение.

Для точного задания частоты и фазы задания точек квантования, как и в прототипе, может быть в принципе применен контур фазовой автоподстройки частоты. Однако анализ показывает, что такого усложнения удается избежать. Можно показать, что при относительной ошибке задания частоты квантования и ненулевом смещении фазы опорных ортогональных сигналов вызванная ими погрешность определения угла потерь имеет для малых оценку

При синхронизации начала оцифровки с помощью прерывания процессора в момент перехода через ноль измеряемого сигнала напряжения, для современных микроконтроллеров легко реализуема задержка не более 0,5·10^-3 рад (порядка 2 мкс). При N=1024, частоте сети f₀=50 Гц и частоте тактового генератора микроконтроллера f_T=40 МГц погрешность задания интервалов квантования не будет превышать значения =±¹/₂·Nf₀/f _T 0,0007, если интервалы задавать с помощью встроенного в микроконтроллер таймера. При этом в соответствии с (22) результирующая ошибка определения угла потерь не превысит 10^-6 рад (| tg | 10^-6). Загружаемое в данный таймер число, задающее интервал квантования, определяется делением на N длительности периода частоты измеряемых сигналов, выраженного в тактах частоты тактового генератора. Эта длительность измеряется с помощью входящего в состав микроконтроллера второго таймера со схемой захвата, позволяющего в моменты перехода через ноль сигнала напряжения запоминать и затем считывать показания таймера. Искомая длительность определяется как разность двух последовательных значений, считанных из таймера (с учетом возможного переполнения). Чтобы измеряемый этим таймером интервал не выходил за пределы разрядной сетки микроконтроллера (для упрощения используемых процедур), можно использовать обычно имеющийся предделитель на входе тактовых импульсов этого таймера с коэффициентом деления 2^m . В этом случае загружаемое в первый таймер для задания интервалов квантования число М1 определяется соотношением

где М2 - число, соответствующее длительности периода измеряемых сигналов в тактах второго таймера.

Для этого в устройстве для мониторинга состояния высоковольтных вводов трехфазного электрического аппарата, например трансформатора, подключенного к системе высоковольтных шин, содержащем устройства присоединения к объекту, подключенные к измерительным выводам вводов, узлы защиты токовых цепей, подключенные к выходам устройств присоединения, узлы гальванической развязки и нормализации сигналов тока, подключенные к выходам узлов защиты токовых цепей, узлы нормализации сигналов напряжения, получающие сигналы от сетевого трансформатора напряжения, измерительное устройство, включающее в себя мультиплексор аналоговых сигналов и аналого-цифровой преобразователь на выходе, и микроконтроллер, в измерительное устройство введены аналоговые устройства слежения/запоминания, подключенные к выходам узлов нормализации сигналов тока и напряжения, аналоговые входы мультиплексора подключены к выходам устройств слежения/запоминания, а управляющий вход подключен к цифровому выходу микроконтроллера, вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу мультиплексора, а выход - к каналу связи с микроконтроллером. Кроме того, в устройство введены второй мультиплексор аналоговых сигналов, аналоговые входы которого подключены к выходам узлов нормализации сигналов напряжения, а управляющие входы подключены к соответствующему цифровому выходу управляющего контроллера, и узел синхронизации, содержащий первый счетчик и второй счетчик с предделителем на тактовом входе, а также источник тактовых импульсов и компаратор, причем тактовые входы первого счетчика и предделителя подключены к источнику тактовых импульсов, цифровые входы чтения/загрузки данных первого и второго счетчиков к шине обмена данными управляющего контроллера, выход переполнения первого счетчика подключен к первому входу прерывания контроллера, выход компаратора подключен ко входу разрешения счета второго счетчика и ко второму входу прерывания контроллера, вход переполнения второго счетчика подключен к третьему входу прерывания контроллера, а вход компаратора подключен к выходу второго аналогового мультиплексора. Устройство содержит также интерфейс связи с верхним уровнем системы управления. Дополнительно в устройство может входить также коммуникационный узел, содержащий элементы отображения, клавиатуру и интерфейс для отладки и локального конфигурирования устройства с помощью переносного персонального компьютера.

Для пояснения существа изобретения на фиг.1 изображена структурная схема устройства-прототипа; на фиг.2 - блок-схема предлагаемого устройства.

Оба устройства содержат три высоковольтных ввода (объект контроля) 1, подключенных к системе высоковольтных шин А, В, С, к измерительным выводам которых присоединены три устройства подключения к объекту 2, чьи выходы в свою очередь через соответствующие узлы защиты токовых цепей 3 подключены к входам узлов гальванической развязки и нормализации токовых сигналов 4. Последние в качестве развязывающих и согласующих элементов содержат приборные измерительные трансформаторы тока. К тем же шинам сети подключен измерительный трансформатор напряжения, вторичные обмотки которого подключены к входам соответствующих узлов гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения 6. В них также в качестве развязывающих и согласующих элементов могут быть использованы приборные измерительные трансформаторы напряжения (если измерительная схема изолирована от земли, использование этих трансформаторов необязательно, они заменяются просто входными сопротивлениями достаточной величины для ограничения входных токов нормализующих усилителей).

В устройстве-прототипе (фиг.1) выходы узлов развязки и нормализации 4 и 6 соединены с соответствующими входами мультиплексора аналоговых сигналов 7, представляющего собой парный трехвходовой коммутатор аналоговых сигналов, сигналы на двух выходах которого соответствуют той или иной фазе в зависимости от состояния сигналов на шине управления мультиплексорами 8, задаваемых управляющим микроконтроллером 9.

Сигналы с выхода первой части мультиплексора 7, обеспечивающей переключение преобразованных токов изоляции вводов, поступают на узел измерений 10; сигналы с выхода второй части мультиплексора 7, переключающей сигналы, пропорциональные фазным напряжениям с трансформатора напряжения, поступают на вход узла формирования сигналов системы отсчета 11.

Узел 11 представляет собой разновидность системы фазовой автоподстройки частоты, состоящей из умножающего ЦАП 12, играющего роль фазового детектора, и последовательно соединенных с ним элементов: фильтра низкой частоты (ФНЧ) 13, генератора импульсов, управляемого напряжением (ГУН) 14, двоичного счетчика (Сч2) 15 и преобразователя кодов (ПрК) 16, одна из ветвей выходной шины данных 17 которого подключена к цифровому входу умножающего ЦАП 12, тем самым замыкая цепь отрицательной обратной связи. Таким образом, фазное напряжение, поступающее на аналоговый вход ЦАП 12, является для системы ФАПЧ задающим сигналом, а цифровая синусоида, поступающая по шине данных - сигналом обратной связи.

Узел измерений 10 включает в себя последовательно соединенные: входной четырехвходовый аналоговый мультиплексор 18, умножающий ЦАП 19, фильтр низкой частоты 20 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21. На соответствующие входы аналогового мультиплексора 18 подаются измеряемые, уже упоминавшиеся выше, сигналы: пропорциональные токам утечки изоляции вводов U_I, и пропорциональные фазным напряжениям U _ф, а также калибровочные сигналы: сигнал U_K, формируемый специальным ЦАП 22, выступающим в роли генератора калибровочных сигналов, и нулевой сигнал, для чего этот вход просто подключен к нулю схемы. Управляющие входы мультиплексора 18 подключены к соответствующей ветви уже упоминавшейся выше шины управления мультиплексорами 8. Цифровые входы ЦАП 19 и ЦАП 22 подключены к шине данных 17 преобразователя кодов. Управление АЦП 21 и считывание с него данных микроконтроллер 9 осуществляет по шине 23 последовательного интерфейса SPI. Управление преобразователем кодов 16 микроконтроллер производит с помощью шины управления 24.

Устройство оснащено коммуникационным узлом 25, включающим в себя следующие элементы: отображения 26 (светодиоды и жидкокристаллический дисплей), ввода 27 (клавиатура), связи с внешним компьютером 28 (последовательный интерфейс RS-232). Эти элементы непосредственно связаны с микроконтроллером 9. Связь с верхним уровнем системы обеспечивается с помощью последовательного интерфейса 29 (RS-485). Подключение к подстанционной системе сигнализации и защиты осуществляется посредством релейного формирователя 30 сигналов предупредительной сигнализации и защиты, а также сигнала системы встроенного контроля.

В примере конкретной реализации предлагаемого устройства (фиг.2) шесть выходов узлов развязки и нормализации 4 и 6 через шесть узлов слежения/запоминания 31, управляемых дискретным сигналом 32 с выхода DО0 управляющего микроконтроллера 9, соединены с соответствующими входами восьмивходового мультиплексора аналоговых сигналов 7, сигнал на выходе которого соответствуют тому или иному измеряемому сигналу в зависимости от состояния сигналов на шине управления 8, поступающих с выхода DО1 микроконтроллера. На два избыточных входа мультиплексора 7 подаются калибровочные сигналы опорного напряжения (33) и нуля (34), периодическое измерение которых используется для контроля исправности прибора. Выходной сигнал мультиплексора 6 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 21, подключенного к микроконтроллеру по шине 23. Моменты считывания сигналов в АЦП определяются сигналом переполнения встроенного в микроконтроллер первого счетчика/таймера 41, поступающего на вход прерывания микроконтроллера Int1 Сигналы с выходов узлов нормализации напряжений 6 поступают также на входы второго аналогового мультиплексора 35, выход которого подключен ко входу нуль-органа (компаратора) напряжений 36, а линии управления - к цифровому выходу 42 микроконтроллера. Сигнал с выхода нуль-органа 36 поступает на вход прерывания микроконтроллера Int2 и на вход захвата встроенного в микроконтроллер второго счетчика-таймера 37 с предделителем 38. Выход переполнения счетчика 37 подключен ко входу прерываний Int3 микроконтроллера. На тактовые входы счетчика 41 и предделителя 38 счетчика 37 подается сигнал 39 генератора тактовой частоты микроконтроллера f_T. Линии данных обоих счетчиков подключены к внутренней шине обмена данными микроконтроллера 40. К микроконтроллеру подключены также коммуникационный узел 25, узел сигнализации 30 и узел последовательного интерфейса 29.

Устройство работает следующим образом.

Для измерения параметров ввода фазы А командой по шине 42 мультиплексором 35 выбирается сигнал напряжения данной фазы. В моменты перехода данного сигнала через ноль по двум последовательным прерываниям по входу Int2 микроконтроллер 9 считывает показания, защелкнутые в моменты прерываний счетчиком-таймером 37, и вычисляет длительность М2 периода сигнала напряжения как разность двух соседних показаний счетчика 37 с учетом количества переполнений счетчика, фиксируемых прерываниями по входу Int3. Вычисляется частота в сети f_c=f_T/(М2·2^m ). В счетчик 41 загружается коэффициент пересчета М1, вычисленный по соотношению (23). После этого по очередному фронту сигнала на входе прерывания Int2 разрешаются прерывания по входу Int1 с выхода счетчика 41, чем синхронизируется начало цикла измерений с переходом напряжения через ноль. По каждому прерыванию Int1 выдается сигнал по линии 32 на узлы слежения/запоминания 31 для замораживания всех шести измеряемых сигналов на время оцифровки. За счет одновременного «замораживания» сигналов обеспечивается измерение их мгновенных значений в один и тот же момент времени. Командами по шине 8 выбираются поочередно сигналы тока и напряжения ввода фазы А с выхода узлов слежения/запоминания 31 и с помощью АЦП 21 производится их оцифровка. Полученные значения сохраняются в массиве данных в памяти. По окончании оцифровки сигнал «замораживания» сигналов 32 снимается, разрешая отслеживание входных сигналов для считывания в следующей точке. Прерывания по входу Int1 подсчитываются, и после N-го прерывания цикл оцифровки для фазы А заканчивается, прерывания по входу Int1 закрываются. С использованием соотношений (5) (8) и (21) вычисляются синусные и косинусные составляющие тока и напряжения ввода, действующие значения тока и напряжения

тангенс угла потерь

емкость основной изоляции ввода

сопротивление утечки

Далее процесс повторяется для фаз В и С.

Для учета фазовой погрешности трансформатора напряжения, которая может достигать значений порядка 0,01 рад (0,5-0,6 град) и во много раз превышать измеряемый угол потерь, при установке прибора на новый (или подвергшийся предварительно испытаниям) ввод с известным значением тангенса угла потерь tg ₀ проводят измерения с помощью предлагаемого прибора и записывают измеренное значение tg '₀ и известное значение tg ₀ в его память. При дальнейших измерениях в процессе эксплуатации ввода по измеренным значениям tg ' пересчитывают истинное значение тангенса с учетом указанных величин. Точное выражение для такого пересчета:

Однако для малых значений угла потерь малыми второго порядка можно пренебречь и производить коррекцию по упрощенному соотношению

При значениях измеряемого угла до 0,01 радиан ошибка этого приближенного выражения не превышает 10 ^-6.