Способ функционального контроля статических и динамических элементов трехфазных электротехнических и электромеханических систем

Предложенное изобретение относится к области электромеханики, а именно к применению средств обработки информации в электромеханике, и может быть использовано для функционального контроля трехфазных трансформаторов, линий электропередач и асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Задачей изобретения является создание простого, быстрого и универсального способа функционального контроля указанных выше объектов. Предложенный способ заключается в том, что производят аналого-цифровое преобразование сигналов токов и напряжений трех фаз с выходов трансформаторов тока и напряжения, далее оцифрованные сигналы токов i_A(t_j), i_B(t_j), i_C(t_j) и напряжений u_A(t_j), u_B(t_j), u_C(t_j), измеренные в момент времени t_j, запоминают с помощью кольцевой памяти, одновременно с этим по данным сигналам и сигналам i_A(t_j-1), i_B(t_j-1), i_C(t_j-1) и u_A(t_j-1), u_B(t_j-1), u_C(t_j-1), измеренным в момент времени t_j-1, в течение одного периода входного напряжения/тока, определяют значения диагностических коэффициентов для каждой из фаз γ_Ф, далее сравнивают полученные значения диагностических коэффициентов со значениями образцовых коэффициентов γ^Н _А, γ^Н _В, γ^Н _С, полученных по аналогичной процедуре для заведомо исправной нагрузки, кроме того, при настойке системы вводят в блок памяти значение допустимой разности образцовых коэффициентов Δγ^Н, сравнивают их с измеренными значениями и делают вывод о состоянии контролируемого объекта. 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области электромеханики, а именно к применению средств обработки информации в электромеханике, и может быть использовано для функционального контроля трехфазных трансформаторов, линий электропередач и асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

В настоящее время аналоги не известны.

Задачей изобретения является создание простого, быстрого и универсального способа функционального контроля линий электропередач, трансформаторов и асинхронных двигателей в рабочем режиме.

Это достигается тем, что производят аналого-цифровое преобразование сигналов токов и напряжений трех фаз с выходов трансформаторов тока и напряжения. Далее оцифрованные сигналы токов i_A(t_j), i_B(t_j), i_C(t_j) и напряжений u_A(t_j), u_B(t_j), u_C(t_j), измеренные в момент времени t_j, запоминают с помощью кольцевой памяти. Одновременно с этим по данным сигналам и сигналам i_A(t_j-1), i_B(t_j-1), i_C(t_j-1) и u_A(t_j-1), u_B(t_j-1), u_C(t_j-1), измеренным в момент времени t_j-1, в течение одного периода входного напряжения/тока, определяют значения диагностических коэффициентов для каждой из фаз

где γ_Ф - значение диагностического коэффициента для одной из фаз;

i_Ф(t_j-1) и u_Ф(t_j-1) - мгновенные значения токов и напряжений одной из фаз, измеренные в момент времени t_j-1;

i_Ф(t_j) и u_Ф(t_j) - мгновенные значения токов и напряжений одной из фаз, измеренные в момент времени t_j;

N - число дискретных значений выходного сигнала напряжения/тока аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала.

Далее сравнивают полученные значения диагностических коэффициентов со значениями образцовых коэффициентов γ^Н _А, γ^Н _В, γ^Н _С, полученных по аналогичной процедуре для заведомо исправной нагрузки, которые введены в блок памяти на стадии настройки системы функционального контроля. Кроме того, при настройке системы вводят в блок памяти значение допустимой разности образцовых коэффициентов Δγ^Н, определенной по выражениям

где, в качестве допустимой разности Δγ^Н принимают наибольшее значение из разностей Δγ₁, Δγ₂ и Δγ₃.

Сравнение диагностических коэффициентов для каждой фаз производят по выражению

где Δγ_Ф - разность значений расчетного и образцового диагностического коэффициента для одной из фаз.

При этом условием исправности контролируемого объекта является выполнение неравенства

Известно, что определение площади вольтамперной характеристики (F_ВАХ) и еепериметра (П_ВАХ) для каждой из фаз трехфазной системы осуществляется по следующим выражениям [Функциональный контроль и диагностика электротехнических и электромеханических систем и устройств по цифровым отчетам мгновенных значений тока и напряжения / B.C.Аврамчук, Н.Л.Бацева, Е.И.Гольдштейн, И.Н.Исайченко, Д.В.Ли, А.О.Сулайманов, И.В.Цапко // Под ред. Е.И.Гольдштейна. Томск: Печатная мануфактура, 2003]:

где в (5) и (6)

i_A(t_j-1), i_B(t_j-1), i_C(t_j-1) и u_A(t_j-1), u_B(t_j-1), u_C(t_j-1) - мгновенные значение токов и напряжений фаз А, В, С, измеренные в момент времени t_j-1;

i_A(t_j), i_B(t_j), i_C(t_j) и u_A(t_j), u_B(t_j) и u_C(t_j) - мгновенные значение токов и напряжений фаз А, В, С, измеренные в момент времени t_j;

N - число дискретных значений выходного сигнала напряжения/тока аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала.

На основе выражений (5) и (6) для каждой из фаз можно определить значения диагностических коэффициентов γ_A>γ_B и γ_C характеризующие вольтамперные характеристики по следующим выражениям:

Если с определенной периодичностью вести сопоставление текущих значений разностей диагностических коэффициентов со значением допустимой разности, то при их резком различии может быть сделан вывод о неисправности электрооборудования.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить функциональный контроль работающего электрооборудования по массивам мгновенных значений токов и напряжений трех фаз путем их измерения в течение одного периода тока/напряжения, вычисления диагностических коэффициентов и сравнения их. Универсальность способа заключается в том, что диагностические коэффициенты находятся по одинаковым процедурам для любого типа вышеперечисленного электрооборудования, а за образцовые коэффициенты принимают значения коэффициентов, вычисленных для заведомо исправного конкретного электрооборудования, работающего в нормальном режиме.

На чертеже приведена функциональная блок-схема способа.

В таблице 1 приведены числовые результаты расчета оценочных коэффициентов, площадей и периметров вольтамперных характеристик для случая работы трансформатора 110/35 кВ в нормальном режиме и при несимметрии напряжения на питающих шинах.

В таблице 2 приведены числовые результаты расчета оценочных коэффициентов, площадей и периметров вольтамперных характеристик фазы А для случая работы электроцентробежных насосов в нормальном режиме.

В таблице 3 приведены числовые результаты расчета оценочных коэффициентов, площадей и периметров вольтамперных характеристик для случая работы линии электропередачи 220 кВ в нормальном режиме и при замыканиях фаз А и В.

Предложенный способ диагностики может быть реализован, например, с помощью функциональной блок-схемы, которая представлена на чертеже. Она содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1; блок кольцевой памяти (КП) 2; программатор вычисления диагностических коэффициентов (П) 3; блок сравнения (БС) 4; блок ввода образцовых коэффициентов (Блок ввода) 5; блок памяти (БП) 6.

К входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1 присоединены трансформаторы тока и напряжения (не показаны). Выходы преобразователя (АЦП) 1 связаны с входами блока кольцевой памяти (КП) 2 и с входами программатора (П) 3. Выходы блока кольцевой памяти (КП) 2 связаны с входами программатора (П) 3. Выходы программатора (П) 3 соединены с входами блока сравнения (БС) 4 и с входами сегментных индикаторов (не показаны). Выходы блока ввода образцовых коэффициентов (Блок ввода) 5 соединены с входами блока памяти (БП) 6. Выходы блока памяти (БП) 6 соединены с входами блока сравнения (БС) 4. Выходы блока сравнения (БС) 4 соединены с входами сегментных индикаторов (не показаны).

В качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1 может быть выбран, например, аналого-цифровой преобразователь серии МАХ 186 (12 бит). Блок кольцевой памяти (КП) 2 и блок памяти (БП) 6 могут быть реализованы на внешней перезаписываемой памяти данных Amtel AT25L256 (32 кБайта). Программатор (П) 3 может быть выполнен на микроконтроллере серии 51 производителя Atmel AT89S53.

Рассмотрим несколько режимов работы трансформатора 110/35 кВ, установленного на подстанции Томской энергосистемы.

При поступлении аналоговых сигналов токов и напряжений трех фаз с трансформаторов тока и напряжения (не показаны) на вход аналого-цифрового преобразователя 1 происходит их преобразование в цифровой сигнал при числе дискретных значений выходного сигнала аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала N=24. Оцифрованные сигналы токов i_А(t_j), i_B(t_j), i_C(t_j) и напряжений u_A(t_j), u_B(t_j), u_C(t_j), измеренные в момент времени t_j, поступают одновременно на вход блока кольцевой памяти (КП) 2 и на вход программатора (П) 3. В блоке кольцевой памяти (КП)2 запоминают текущие значения токов i_A(t_j), i_B(t_j), i_C(t_j) и напряжений u_A(t_j), u_B(t_j), u_C(t_j) для использования их в последующий момент времени. С выходов блока кольцевой памяти (КП) 2 сигналы i_A(t_j-1), i_B(t_j-1), i_C(t_j-1) и u_A(t_j-1), u_B(t_j-1), u_C(t_j-1), соответствующие моменту времени t_j-1, поступают на вход программатора (П) 3. Одновременно с этим, на соответствующие входы программатора (П) 3 поступают сигналы токов с выходов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1. В программаторе (П) 3 по следующим выражениям производят расчет диагностических коэффициентов:

где N - число дискретных значений выходного сигнала напряжения/тока аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала (N=24).

С выходов программатора (П) 3 сигнал поступает на входы блока сравнения (БС) 4 и на соответствующие входы сегментных индикаторов (не показаны). С помощью блока ввода образцовых коэффициентов (Блок ввода) 5 задают значения образцовых коэффициентов и значение допустимой разности Δγ^Н. С него сигнал поступает на вход блока памяти (БП) 6. С выходов блока памяти (БП) 6 сигнал поступает на блок сравнения (БС) 4, где по соотношениям (3) происходит вычисление значений Δγ_Ф и их сравнение с допустимыми значениями Δγ^Н. С выхода блока сравнения (БС) 4 сигнал об исправности или неисправности контролируемой трехфазной системы и значения диагностических коэффициентов для каждой фазы поступают на соответствующие входы сегментных индикаторов (не показаны).

В табл.1 приведены результаты расчетов коэффициентов γ для трансформатора 110/35 кВ, работающего в нормальном режиме и при несимметрии питающего напряжения на зажимах данного трансформатора. В случае нормального режима производят настройку системы диагностики путем расчета по выражениям (8) значений образцовых диагностических коэффициентов γ^Н _А, γ^Н _В, γ^Н _С и допустимой разности Δγ^Н

где , ^, - образцовые диагностические коэффициенты, рассчитанные для нормального режима работы трансформатора.

В качестве допустимой разности Δγ^Н принимают наибольшее значение из разностей Δγ₁, Δγ₂ и Δγ₂.

Эти значения вводятся в блок памяти (БП) 6 с помощью блока ввода 5.

Оценку исправности системы для каждой фазы производятся по условию, что разность значений расчетного и образцового диагностических коэффициентов для одной из фаз меньше или равна их допустимой разности Δγ^Н.

Затем по выражениям (3) находят разности значений расчетного и образцового диагностического коэффициента для каждой из фаз:

Так как значение Δγ_С больше допустимой разности Δγ^Н, то система выдает сигнал о неисправности в фазе С.

В табл.2 приведен пример расчетов оценочных коэффициентов для работающих в нормальном режиме электроцентробежных насосов. По причине отсутствия данных по другим фазам расчеты, аналогичные для случаев, описанных в табл.1, не могут быть проведены, однако мы можем судить об исправности данного оборудования путем сопоставления диагностических коэффициентов, рассчитанных для ряда аналогичного оборудования, работающего в нормальном режиме.

В табл.3 приведен пример расчетов коэффициентов γ для линии электропередачи, работающей в нормальном и аварийных режимах. В данном случае допустимая разность коэффициентов Δγ^Н=334. В случае замыкания фазы А, разности значений расчетных и образцовых диагностических коэффициентов равны Δγ_А=9550, Δγ_В=255, Δγ_С=103. Система диагностики выдает сигнал о неисправности в фазе А, так как значение Δγ_А больше допустимого значения. В случае замыкания фаз А и В, разности значений расчетных и образцовых диагностических коэффициентов равны Δγ_А=8434, Δγ_В=13911, Δγ_С=327. Система диагностики выдает сигнал о неисправности в фазах А и В, так как значения Δγ_А и Δγ_В больше допустимого значения.

Как видно из табл.1, табл.2, табл.3, значения коэффициентов γ в нормальном режиме работы для всех фаз примерно одинаковы. При отклонениях режима работы оборудования от нормального происходит резкое изменение значений диагностических коэффициентов у соответствующих фаз.

Таблица 1. СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Фаза	γ	F*107	П*105	Примечания
А	13280	1,252	4.077	Нормальный режим работы трансформатора
В	9919	1.455	3.799
С	7273	1.521	3.326
А	15080	1.21	4.271	Несимметрия напряжения на питающих шинах трансформатора
В	9650	1.548	3.865
С	1188	6.495	6.495
Таблица 2.
Фаза	γ	F*104	П*103	Примечания
А	113	2.258	1.558	Скважина №221
Нормальный режим
А	149	1.266	1.586	Скважина №2716
Нормальный режим
Таблица 3.
Фаза	γ	F*107	П*105	Примечания
А	13971	3.988	7.47	Нормальный режим работы ЛЭП
В	14029	4.174	7.668
С	13695	4.473	8.35
А	4421	-9.189	6.374	Замыкание фазы А на Землю
В	13774	4.988	7.608
С	13592	4.172	8.355
А	5537	-7.195	6.312	Замыкание фаз А и В
В	118	-7.848	6.509
С	13644	5.768	7.611

Способ функционального контроля статических и динамических элементов трехфазных электротехнических и электромеханических систем, отличающийся тем, что производят аналого-цифровое преобразование сигналов токов и напряжений трех фаз с выходов трансформаторов тока и напряжения, далее оцифрованные сигналы токов i_A(t_j), i_B(t_j), i_C(t_j) и напряжений u_A(t_j), u_B(t_j), u_C(t_j), измеренные в момент времени t_j, запоминают с помощью кольцевой памяти, одновременно с этим по данным сигналам и сигналам i_A(t_j-1), i_B(t_j-1), i_C(t_j-1) и u_A(t_j-1), u_B(t_j-1), u_C(t_j-1), измеренным в момент времени t_j-1, в течение одного периода входного напряжения/тока, определяют значения диагностических коэффициентов для каждой из фаз

где γ_Ф - значение диагностического коэффициента для одной из фаз;

i_Ф(t_j-1) и u_Ф(t_j-1) - мгновенные значения токов и напряжений одной из фаз, измеренные в момент времени t_j-1;

i_Ф(t_j) и u_Ф(t_j) - мгновенные значения токов и напряжений одной из фаз, измеренные в момент времени t_j;

N - число дискретных значений выходного сигнала напряжения/тока аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала,

далее сравнивают полученные значения диагностических коэффициентов со значениями образцовых коэффициентов γ^Н _А, γ^Н _В, γ^Н _С, полученных по аналогичной процедуре для заведомо исправной нагрузки, которые введены в блок памяти на стадии настройки системы функционального контроля, кроме того, при настройке системы вводят в блок памяти значение допустимой разности образцовых коэффициентов Δγ^Н, определенной по выражениям

где в качестве допустимой разности Δγ^Н принимают наибольшее значение из разностей Δγ₁, Δγ₂ и Δγ₃;

сравнение диагностических коэффициентов для каждой фазы производят по выражению

Δγ_Ф=|γ_Ф-γ^H _Ф|,

где Δγ_Ф - разность значений расчетного и образцового диагностического коэффициента для одной из фаз;

при этом условием исправности контролируемого объекта является выполнение неравенства

Δγ_Ф≤Δγ^Н.