Способ дистанционной диагностики многоэлементной изолирующей конструкции

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для выявления дефектной многоэлементной изолирующей конструкции. Технический результат: выявление дефектов на ранней стадии их возникновения. Сущность: регистрируют пространственное распределение интенсивности инфракрасного излучения многоэлементной высоковольтной изолирующей конструкции, находящейся под переменным напряжением в установившемся температурном режиме. Регистрируют интенсивность излучения от поверхностных электрических разрядов. Состояние изоляции определяют по величинам среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении инфракрасного излучения и величине интенсивности излучения поверхностных разрядов. Считают конструкцию дефектной, если хотя бы одна из полученных величин превышает установленное для каждой из них пороговое значение. Пороговые значения определяются по результатам диагностики такой же конструкции с исправной изоляцией в аналогичных метеоусловиях. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для выявления дефектной многоэлементной изолирующей конструкции, например гирлянды изоляторов высоковольтной линии электропередачи переменного тока.

Известен способ оценки состояния изоляции изолятора, основанный на бесконтактном измерении температуры, при котором определяется разность между максимальной температурой испытуемого изолятора и температурой исправного изолятора, измеренной ранее при аналогичных погодных условиях, ΔT_max. Степень ухудшения изоляции определяется по величине активного сопротивления, полученной из графика ее зависимости от ΔT_max. Чем меньше сопротивление изолятора, тем больше ΔT_max [JP2159581, G01R 31/12, 1990].

Однако этот способ не может быть применен для диагностики многоэлементной изолирующей конструкции переменного тока, поскольку в ней температура каждого элемента не является однозначной функцией активного сопротивления.

Известен способ дистанционного контроля распределения напряжения на последовательно соединенных элементах высоковольтной установки, находящейся в установившемся температурном режиме, основанный на измерении оптического излучения от каждого элемента в инфракрасном диапазоне и заключающийся в определении напряжения на каждом элементе по величине превышения температуры на нем над температурой окружающей среды [авторское свидетельство №911345, Кл. G01R 19/00, G01R 31/08, 1982].

Однако применение известного способа ограничено высоковольтными установками переменного тока, где можно пренебречь вкладом реактивного сопротивления элемента в выделяемую этим элементом активную мощность и соответственно температуру. Влияние собственной емкости элемента приводит к неоднозначной связи между мощностью тепловыделения элемента и напряжением на нем.

Наиболее близким к изобретению является способ дистанционного контроля подвесной изоляции высоковольтных линий переменного тока, находящейся в установившемся температурном режиме, с помощью тепловизора. Способ основан на регистрации пространственного распределения интенсивности инфракрасного излучения конструкции, представляющей собой гирлянду подвесных изоляторов, и заключается в определении по зарегистрированному излучению температур шапок и тарелок каждого изолятора и вычислении активного сопротивления каждого элемента по формулам. ["Электрические станции", №11, 1999, с.58-63].

Недостатком этого способа является то, что для устранения неоднозначности в расчетах активных сопротивлений изоляторов используются значения температур тарелок. Считается, что у изоляторов с большим сопротивлением температура тарелок выше. Однако заметный нагрев тарелок может наблюдаться у изоляторов с большим сопротивлением только в гирляндах с развитым дефектом, т.е. со значительным числом дефектных элементов, где на оставшиеся исправные изоляторы приходится значительная часть суммарного напряжения, способствующая росту на их тарелках поверхностных токов утечки, приводящих к разогреву. Кроме того, на температуры тарелок влияет неравномерность загрязнения гирлянды, что может привести к ошибке в оценке сопротивления изоляторов. Недостатками способа также являются ограниченность области применения подвесной изоляцией и сложная процедура расчетов.

Техническим результатом при реализации способа является повышение эффективности диагностики многоэлементной изолирующей конструкции переменного тока путем выявления наличия дефектов изоляции на ранней стадии их возникновения.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем регистрацию пространственного распределения интенсивности инфракрасного излучения многоэлементной высоковольтной изолирующей конструкции, находящейся под переменным напряжением в установившемся температурном режиме, в отличие от наиболее близкого аналога, дополнительно регистрируют интенсивность излучения от поверхностных электрических разрядов, а состояние изоляции определяют по величинам среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении инфракрасного излучения и величине интенсивности излучения поверхностных разрядов. При этом считают конструкцию дефектной, если хотя бы одна из полученных величин - среднее, среднеквадратическое отклонение или интенсивность излучения поверхностных разрядов превышает установленное для каждой из них пороговое значение. Пороговые значения определяются в аналогичных метеоусловиях.

Оптимальные пороговые значения могут быть установлены при диагностике такой же изолирующей конструкции, один из элементов которой имеет активное сопротивление, равное минимально допустимому значению, установленному для исправной изоляции, а сопротивления всех остальных элементов выше и близки к предельным. При этом пороговое значение для среднего в пространственном распределении инфракрасного излучения устанавливают равным интенсивности инфракрасного излучения элемента с наименьшим активным сопротивлением. Например, для фарфоровых изоляторов ПФ-70 предельно высокое активное сопротивление около 3 ГОм, а минимально допустимое по инструкции для изоляции считающейся исправной - 300 МОм.

При диагностике в одинаковых метеоусловиях большого числа идентичных многоэлементных изолирующих конструкций, например гирлянд изоляторов на высоковольтных линиях электропередачи, пороговые значения можно установить при последующем анализе по конструкции, один из элементов которой имеет наибольшую интенсивность инфракрасного излучения, а интенсивность инфракрасного излучения остальных не превышает среднего значения, полученного по всем конструкциям. При этом пороговое значение для среднего в пространственном распределении инфракрасного излучения устанавливают по элементу с максимальной интенсивностью инфракрасного излучения. Определение пороговых значений таким образом возможно при условии, когда общее число дефектных элементов значительно меньше исправных, что наблюдается на практике. Получаемое в результате среднее соответствует значениям для исправной изоляции с большим активным сопротивлением.

Принцип, заложенный в изобретении, поясняется следующим. В общем случае i-ый элемент изолирующей конструкции, например изолятор в гирлянде, можно представить как параллельное соединение активного сопротивления R_i и емкости C_i. Выражения для действующего напряжения U_i и активной мощности P_i, выделяемой на элементе при протекании через него переменного тока в гирлянде I с частотой ω, имеют следующий вид:

Из выражений (1) и (2) следует, что чем меньше активное сопротивление изолирующего элемента, тем меньше напряжение на нем. В тоже время P_i имеет неоднозначную зависимость от R_i. Активная мощность имеет максимум при R_i равном . При R_i большем , P_i увеличивается с уменьшением R_i, а при R_i меньшем - уменьшается. Например, для подвесного фарфорового изолятора ПФ-70, собственная емкость которого лежит в пределах 30-70 пФ, максимум тепловыделения достигается при значениях R_i от 45 до 100 МОм соответственно. Поскольку активные сопротивления изоляторов в гирлянде могут иметь значения от нескольких ГОм для исправных до нескольких МОм для "нулевых", то одна и та же мощность тепловыделения может характеризовать два существенно разных состояния изоляции - исправное и дефектное. "Нулевой" элемент - изолятор, на котором падение напряжения близко к нулю. Однако, если рассматривать изолирующую конструкцию в целом, то исправное и дефектное состояния элемента можно отличить по изменению тепловыделения всей конструкции. Так, если происходит снижение активного сопротивления i-го элемента конструкции, то на начальной стадии деградации, когда R_i значительно больше и изоляция ее считается еще исправной, это приводит к повышению тепловыделения только на нем, поскольку распределение напряжения по элементам в конструкции практически не изменяется. Дальнейшее снижение сопротивления и переход в дефектное состояние приводит уже к перераспределению напряжения в конструкции и повышению тепловыделения на других элементах. Таким образом, дефектное состояние можно отличить по изменению пространственного распределения интенсивности излучения инфракрасного излучения по всей конструкции. Величинами, характеризующими распределение, являются среднее и среднеквадратическое отклонение. Для определения состояния изоляции необходимо использовать обе эти характеристики распределения. Так, снижение активного сопротивления одного из элементов конструкции однозначно приводит к некоторому увеличению средней интенсивности излучения конструкции. Однако ее заметное увеличение происходит при снижении активного сопротивления на нескольких элементах конструкции. В тоже время величина среднеквадратического отклонения, характеризующая разброс интенсивностей инфракрасного излучения элементов относительно среднего, может быть зафиксирована и при малых значениях среднего, когда интенсивность излучения изменяется только на одном элементе, но при снижении активного сопротивления на нескольких элементах возможна ситуация, когда среднеквадратическое отклонение будет равно нулю.

По значениям среднего и среднеквадратического отклонения в распределении интенсивности инфракрасного излучения сложно выявить дефектную конструкцию, состоящую из "нулевых" элементов, активное сопротивление которых R_i много меньше , и исправных с очень высоким активным сопротивлением. Значения характеристик пространственного распределения инфракрасного излучения конструкции в этом случае практически совпадают с исправной. Но в этом случае перераспределение напряжения в конструкции приведет к появлению или скачкообразному росту поверхностных разрядов на исправных элементах, что можно зарегистрировать по излучению соответствующими приборами.

Таким образом, состояние изолирующей конструкции можно определить по значениям среднего и среднеквадратического отклонения пространственного распределения инфракрасного излучения и излучения поверхностных разрядов и выявить наличие дефекта по превышению любой из полученных величин установленного для нее порогового (минимального) значения, зависящего от соответствующих текущей диагностике метеоусловий.

Предлагаемый способ поясняется графиками зависимости среднего Р_ср и среднеквадратического отклонения D распределения мощности тепловыделения по элементам конструкции из трех одинаковых фарфоровых изоляторов, выбранной в качестве примера, от значения активного сопротивления на одном из них R₁, представленными на Фиг.1-4 и тепловизионными изображениями (термограммами) исправных и дефектных гирлянд, изображенными на Фиг.5-8.

Графики получены в результате расчета по следующим формулам:

где значения P_i рассчитаны из формул (1) и (2) для гирлянды, находящейся под переменным напряжением 27,5 кВ частотой 50 Гц. Собственная емкость всех изоляторов одинакова и равна 50 пФ.

На Фиг.1-2 графики построены для значения активного сопротивления на втором изоляторе R₂, равном 3 ГОм, а на Фиг.3-4 при R₂, равном 300 МОм. Кривые 1, 2, 3 и 4 получены для значений активного сопротивления на третьем изоляторе R₃ равном 3 ГОм, 300 МОм, 150 МОм и 30 МОм соответственно. Кривая 5 указывает пороговое значение, рассчитанное исходя из условия, что в исправной гирлянде активное сопротивление каждого изолятора превышает 300 МОм.

На Фиг.5-8 приведены термограммы гирлянд изоляторов, полученные тепловизором при диагностике контактной сети переменного тока напряжением 27,5 кВ на перегоне от ст.Шалега до ст.Арья Горьковской железной дороги. Все изображения получены при одинаковых погодных условиях в течение одного часа работ. Одновременно с тепловизионными съемками проводилась регистрация интенсивности излучения поверхностных разрядов на гирляндах с помощью ультразвукового дефектоскопа. Фиг.5 иллюстрирует ситуацию, при которой левая гирлянда является исправной, а правая дефектной, у которой значения среднее и среднеквадратическое отклонения распределения тепловыделения превышают пороговые значения, а частичные разряды отсутствуют. На Фиг.6 среднее значение интенсивности инфракрасного излучения гирлянды, расположенной справа, превышает порог, среднеквадратическое значение - не превышает, и частичные разряды не зафиксированы. На Фиг.7 пороговое значение превышает только интенсивность излучения частичных разрядов. Под тарелкой нижнего изолятора видно свечение разряда. На Фиг.8 приведена термограмма гирлянды изоляторов, по которой были определены пороговые значения среднего и среднеквадратического в пространственном распределении инфракрасного излучения и интенсивности излучения поверхностных разрядов.

Изобретение осуществляется следующим образом. Например, с помощью тепловизора осуществляют регистрацию пространственного распределения инфракрасного излучения тестируемой изолирующей конструкции, как это показано на Фиг.5-8. Одновременно регистрируется интенсивность излучения от конструкции поверхностных разрядов, например, ультразвуковым дефектоскопом. К полученным данным добавляется информация о текущих погодных условиях: температуре воздуха, влажности и скорости ветра.

Далее на зарегистрированном снимке по значениям яркости в изображении или температуры каждой точки изолирующей конструкции определяют числовые значения параметров пространственного распределения излучения - среднее и среднеквадратическое отклонение. Полученные величины среднего и среднеквадратического отклонения пространственного распределения теплового излучения, а также интенсивности излучения поверхностных разрядов сравнивают с пороговыми значениями, установленными для них при метеоусловиях аналогичных текущей диагностике. Если при сравнении хотя бы одна из величин превышает установленный для нее порог, то тестируемую конструкцию считают дефектной.

Распределение интенсивностей инфракрасного излучения можно также определять с помощью пирометра, последовательно наводя его на каждый элемент изолирующей конструкции и фиксируя температуру.

Пороговые значения для среднего, среднеквадратического отклонения распределения теплового излучения и интенсивности излучения разрядов можно установить по результатам диагностики такой же конструкции, служащей эталоном. Например, для трехэлементных гирлянд подвесных изоляторов эталонной будет гирлянда, составленная из элементов, один из которых имеет активное сопротивление около 300 МОм, а сопротивление двух других больше 2 ГОм.

При диагностике в одних метеоусловиях большого числа идентичных изолирующих конструкций пороговые значения определяют по результатам последующего анализа полученных данных. Сначала в значениях яркости или температуры определяют среднее значение интенсивности излучения элементов всех конструкций, прошедших диагностику. Затем выделяют группу конструкций со значениями интенсивности инфракрасного излучения всех элементов, кроме одного, не превышающими полученное среднее. В данной группе находят конструкцию, в которой интенсивность излучения оставшегося элемента наибольшая. Значения среднеквадратического отклонения в пространственном распределении инфракрасного излучения и интенсивности излучения поверхностных электрических разрядов, полученные для найденной конструкции, являются пороговыми, а пороговая величина для среднего в распределении берется по элементу с наибольшей интенсивностью инфракрасного излучения.

Примером, показывающим возможность достижения заявленного технического результата и осуществления изобретения, являются результаты диагностики гирлянд подвесных фарфоровых изоляторов на контактной сети переменного тока напряжением 27,5 кВ на перегоне от ст.Шалега до ст.Арья Горьковской железной дороги, выборочно приведенные в таблице.

Таблица
Результаты диагностики
NN пп	Термо-грамма	Средняя яркость на термограмме в относительных величинах	Среднеквадратическое отклонение яркости на термограмме в относительных величинах	Значения замеров сопротивлений элементов после снятия гирлянд, начиная с верхнего, МОм	Состояние изоляции
1	2	3
1	Фиг.5 (правая)	168	10,0	70	2000	500	Дефектное
2	Фиг.6 (правая)	161	6,5	90	1000	1000	Дефектное
3	Фиг.7	138	5,7	2	2000	2000	Дефектное
4	Фиг.8	150	6,9	2000	2000	400	Исправное

Общее число проверенных гирлянд более 300. Метеоусловия при проведении работ не изменялись. Пороговые значения для среднего и среднеквадратического отклонения в пространственном распределении инфракрасного излучения были установлены по гирлянде на Фиг.8 и равнялись 159 и 6,9 соответственно. Пороговое значение для среднего определялось по яркости нижнего изолятора. Пороговое значение для интенсивности излучения поверхностных разрядов соответствовало отсутствию таковых.

Применение методики, основанной на данном изобретении, в течение ряда лет показало достоверность диагностики подвесной изоляции около 80%.

Данное изобретение может быть также использовано при диагностике цельных опорных и стержневых изоляторов, внешней изоляции проходных изоляторов, рассматривая в качестве отдельных элементов звенья конструкции.

1. Способ дистанционной диагностики многоэлементной высоковольтной изолирующей конструкции, находящейся под напряжением переменного тока в установившемся температурном режиме, включающий регистрацию пространственного распределения интенсивности инфракрасного излучения конструкции, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют интенсивность излучения от поверхностных электрических разрядов, а состояние изоляции определяют по величинам среднего и среднеквадратического отклонения в зарегистрированном распределении инфракрасного излучения и величине зарегистрированной интенсивности излучения поверхностных разрядов, при этом считают конструкцию дефектной, если хотя бы одна из полученных величин превышает установленное для нее пороговое значение, определенное в аналогичных метеоусловиях.

2. Способ дистанционной диагностики многоэлементной изолирующей конструкции по п.1, отличающийся тем, что пороговые значения устанавливают при диагностике такой же, изолирующей конструкции, один из элементов которой имеет активное сопротивление, равное минимально допустимому значению, установленному для исправной изоляции, а сопротивления всех остальных элементов выше и близки к предельным, при этом пороговое значение для среднего в пространственном распределении инфракрасного излучения устанавливают равным интенсивности инфракрасного излучения элемента с наименьшим активным сопротивлением.

3. Способ дистанционной диагностики многоэлементной изолирующей конструкции по п.1, отличающийся тем, что при диагностике в одинаковых метеоусловиях большого числа идентичных многоэлементных изолирующих конструкций пороговые значения устанавливают при последующем анализе по конструкции, один из элементов которой имеет наибольшую интенсивность инфракрасного излучения, а интенсивность инфракрасного излучения остальных не превышает среднего значения, полученного по всем конструкциям, при этом пороговое значение для среднего в пространственном распределении инфракрасного излучения устанавливают по элементу с максимальной интенсивностью инфракрасного излучения.