Устройство контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования в рабочем режиме

Полезная модель относится к дистанционному контролю технического состояния элементов электроэнергетического оборудования (например, силовых трансформаторов), находящегося под напряжением и может быть использовано для создания диагностических информационно-измерительных комплексов. Технический результат: повышение точности определения местонахождения и степени развития дефектов за счет обеспечения многоточечного режима измерений при минимизации коммуникаций, и, в конечном итоге - повышение объективности определения технического состояния высоковольтного оборудования во время его эксплуатации в рабочих режимах. Устройство контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования содержит лазерный источник широкополосного излучения, ответвитель, устройство преобразования отраженных сигналов в цифровую электронную форму, устройство обработки информации и принятия решений, волоконно-оптическую линию с нанесенными на ней брэгговскими решетками и оптический разъем. Волоконно-оптическая линия размещена на конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования по предварительно выбранной траектории. При этом количество датчиков (брэгговских решеток) измеряемых параметров равно количеству предварительно выбранных точек на траектории прокладки оптического волокна.

Область техники. Полезная модель относится к дистанционному контролю технического состояния (ТС) элементов электроэнергетического оборудования (ЭО) (например, силовых трансформаторов), находящегося под напряжением и может быть использовано для создания диагностических информационно-измерительных комплексов.

Уровень техники. Одной из серьезных проблем, связанных с диагностикой ЭО, является передача информационного сигнала от датчиков физических процессов, происходящих в высоковольтном оборудовании, а именно - температуры, частичных разрядов, акустических сигналов и др. в условиях высоких потенциалов и градиентов параметров электрических и магнитных полей в элементах оборудования.

Известны способы контроля технического состояния высоковольтного оборудования (ВВО), в которых используют естественные радиоканалы - собственные электромагнитные излучения (патент РФ 2368914 «Способ контроля технического состояния элементов высоковольтного оборудования», МПК G01R 31/302, 2009 г.), передающие информацию о техническом состоянии ВВО. Известны также устройства, использующие специально созданные радиоканалы для восприятия и передачи такой информации от пьезодатчиков, установленных на оборудовании (патент РФ 2388005 «Устройство для контроля разрядных процессов в силовом высоковольтном оборудовании», МПК G01R 31/08, 2010 г.). Однако радиоканалы обладают недостаточной помехозащищенностью, тем самым снижается качество контроля за состоянием ВВО.

В настоящее время в различных областях техники активно применяются волоконно-оптические способы передачи информации от датчиков. Для задач диагностики ВВО это техническое направление особо привлекательно, поскольку оптоволокно выполняется из материалов с высокими диэлектрическими свойствами, защищено от помех и практически не вносит изменений в рабочие электромагнитные поля ВВО [патенты РФ 2370737 (Устройство для измерения вибрации высоковольтных элементов), 2262765 (Устройство для измерения частичных разрядов), патент Китая CN 201107631 (Transformer on-line monitoring device based on fiber optic sensor technology), заявка Японии JP 2008032587 (AE sensor using interference-type optical fiber, and partial discharge measuring device by AE sensor), патент Китая CN 101294856 (Transformer device on-line multi-parameter monitoring device based on optical fiber sensor technology)]. Известны также устройства, в которых по одному каналу передаются сигналы от нескольких датчиков, например патент РФ 2388005 (Устройство для контроля разрядных процессов в силовом высоковольтном оборудовании), патент Китая CN 101294856 (Transformer device on-line multi-parameter monitoring device based on optical fiber sensor technology)].

Известно, что физические параметры оптоволокна зависят от внешних факторов - температуры и механических деформаций (например, вибрации). Таким образом, оптоволокно может использоваться не только в качестве канала передачи информации, но и одновременно являться неотъемлемым элементом датчиков физических процессов. При этом, например, используется нанесение на оптоволокно брэгговских решеток [Ю.Н.Кульчин Распределенные волоконно-оптические измерительные системы М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001 - 272 с. - ISBN 5-9221-0072-6, патент РФ 2413259, МПК G02B6/124, G01D5/353. 2011 г. (Способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде)].

Анализ прототипа. Наиболее близким к заявляемому устройству, прототипом является устройство (патент Китая CN 101294856 «Transformer device on-line multi-parameter monitoring device based on optical fiber sensor technology», МПК G01H 9/00; G01K 11/32; G08B 25/08, 2008 г.). Устройство контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования содержит источник лазерного излучения, три сосредоточенных MEMS датчика, обеспечивающих измерение температуры, вибрации и шумов в одной точке конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования и соединенные посредством волоконно-оптической линии с устройством преобразования отраженных сигналов, которое соединено с устройством отображения информации.

Прототип имеет недостатки.

Во-первых, волоконно-оптические линии имеют высокую пропускную информационную способность, здесь же передается информация всего от 3-х датчиков, и потенциальные информационные возможности линии недоиспользуются.

Во-вторых, при увеличении числа точек установки датчиков на конструкции ВВО необходимо прокладывать дополнительные волоконно-оптические линии. Здесь необходимо учитывать, что прокладка дополнительных линий создает дополнительные трудности при эксплуатации ВВО.

В-третьих, в прототипе не учитываются изменения параметров самой волоконно-оптической линии под действием внешних факторов.

В-четвертых, в прототипе не учитывается способ прокладки волоконно-оптических линий, поскольку особенностью высоковольтного оборудования является наличие областей с высокими градиентами электрических потенциалов; введение в эти области дополнительных элементов (здесь - волоконно-оптической линии) может привести к искажению электрического поля, возникновению дополнительных частичных разрядов и, следовательно - к пробою изоляции и выходу оборудования из строя.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в обеспечении качественных и достоверных показателей технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования в рабочем режиме за счет точности определения местонахождения и степени развития дефектов.

Сущность полезной модели. Устройство контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования содержит источник лазерного излучения, волоконно-оптическую линию, устройство преобразования отраженных сигналов, которое соединено с устройством обработки и с устройством отображения информации. Устройство контроля технического состояния ВВО дополнительно содержит ответвитель и оптический разъем, при этом вход ответвителя соединен с выходом источника лазерного излучения, первый выход ответвителя соединен с входом оптического разъема, а второй выход ответвителя соединен с устройством преобразования отраженных сигналов. В качестве волоконно-оптических датчиков измеряемых параметров на волоконно-оптическую линию нанесены брэгговские решетки, линия размещена на конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования по предварительно выбранной траектории, которая не проходит через области с высокими градиентами электрических потенциалов. Количество датчиков (брэгговских решеток) измеряемых параметров равно количеству предварительно выбранных точек на траектории прокладки волоконно-оптической линии. Таким образом, датчиками температуры и вибрации является сама волоконно-оптическая линия.

Технический результат, достигаемый в результате реализации предлагаемого устройства контроля технического состояния ВВО, заключается в повышении точности определения местонахождения и степени развития дефектов за счет обеспечения многоточечного режима измерений при минимизации коммуникаций, и, в конечном итоге - повышение объективности определения технического состояния высоковольтного оборудования во время его эксплуатации в рабочих режимах.

Осуществление полезной модели. Описание конструкции устройства контроля технического состояния ВВО поясняется чертежом. Лазерный источник 1 излучения присоединен ко входу ответвителя 2, с первого выхода которого лазерное излучение через оптический разъем 10 вводится в волоконно-оптическую линию 3. Волоконно-оптическая линия 3 закреплена на конструкции 4 высоковольтного оборудования, причем последовательно проходит через предварительно выбранные характерные контрольные точки 5 конструкции 4 оборудования. На волоконно-оптической линии 3 нанесено множество брэгговских решеток 6.

Второй выход ответвителя 2, на котором выделяется отраженный оптический сигнал волоконно-оптической линии 3, соединен с входом устройства 7 преобразования отраженных сигналов в цифровую электронную форму, выход которого в свою очередь соединен с входом устройства 8 обработки информации и принятия решений. Элементы 1, 2, 7, 8 устройства объединены в общую конструкцию 9.

Работа устройства. Широкополосное лазерное излучение от источника 1 лазерного излучения вводится в волоконно-оптическую линию 3, на которой нанесены брэгговские решетки 6, причем элементы линии 3 с брэгговскими решетками расположены в предварительно выбранных точках 5 контроля параметров физических процессов высоковольтного оборудования. Линия 3 размещена на конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования, проходит через точки 5 контроля по предварительно выбранной траектории, и не проходит через области с высокими градиентами электрических потенциалов. Если измерительная линия содержит N брэгговских решеток, соответствующих N контрольным точкам, то они настроены на различные длины волн излучения, соответственно ₁, ,_i, . _N.каждая из которых имеет спектральную рабочую область ₁, _i, _N, то для каждого датчика с номером i должно выполняться условие:

_i(_i+1-_i-1)/2

При вводе в такую распределенную измерительную линию излучения от широкополосного источника света со спектральной полосой

>(_N-₁),

отраженный сигнал будет состоять из N частотных компонент, длина волны для каждой компоненты оказывается в пределах отведенной ему полосы спектра. Таким образом, каждой частоте отраженного оптического сигнала будет соответствовать соответствующая брэгговская решетка 6, и, следовательно, соответствующая контрольная точка оборудования.

Отраженные от брэгговских решеток 6 сигналы передаются по волоконно-оптической линии 3 и через ответвитель 2 поступают в устройство 7 преобразования отраженных сигналов в цифровую электронную форму. С выхода устройства 7 информация передается на устройство 8 обработки информации и принятия решений.

В статическом состоянии при неработающем (выключенном) элементе высоковольтного оборудования величины (значения) отраженных сигналов фиксируются в устройстве 8.

При работе элемента оборудования происходит изменение температуры контрольных точек, а также изменение температуры всего оптоволокна. В связи с этим меняются физические условия прохождения по волоконно-оптической линии зондирующего лазерного импульса, и изменяются величины и (или) фазы отраженных сигналов, которые фиксируются устройством 7 и являются информацией, которая подлежит обработке в устройстве 8 и основой принятия решения относительно распределения температуры в элементе оборудования.

Кроме того, работа элемента оборудования сопровождается вибрацией, которая является деформирующим воздействием на брэгговскую решетку. При ее малых деформациях происходит малая вариация частоты отраженного сигнала в пределах спектральной рабочей области. Измерение вариации частоты также происходит в устройстве 7 и является информацией, которая подлежит обработке в устройстве 8 и основой принятия решения относительно распределения вибрационных воздействий в элементе оборудования.

Устройство контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования, содержащее источник лазерного излучения, волоконно-оптическую линию, устройство преобразования отраженных сигналов, которое соединено с устройством обработки и с устройством отображения информации, ответвитель и оптический разъем, при этом вход ответвителя соединен с выходом источника лазерного излучения, первый выход ответвителя соединен с входом оптического разъема, а второй выход ответвителя соединен с устройством преобразования отраженных сигналов, отличающееся тем, что устройство контроля технического состояния дополнительно содержит в качестве волоконно-оптических датчиков измеряемых параметров брэгговские решетки, нанесенные на волоконно-оптическую линию, размещенную на конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования по предварительно выбранной траектории, которая не проходит через области с высокими градиентами электрических потенциалов, количество датчиков измеряемых параметров равно количеству предварительно выбранных точек на траектории прокладки волоконно-оптической линии.