Устройство мониторинга высоковольтных вводов и сигнализации о состоянии их изоляции

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике в области электрооборудования высокого напряжения и предназначено для непрерывного контроля изоляции, диагностики и защиты высоковольтных вводов силовых трансформаторов и автотрансформаторов. Технический результат: повышение достоверности и надежности определения предаварийного состояния, расширение функциональных возможностей. Сущность: изобретение реализует прямое измерение активной и реактивной составляющих тока утечки изоляции ввода, напряжения и частоты сети с вычислением tgδ и емкости изоляции ввода, настройки сигнализации и защиты по заданным предельным уровням tgδ и емкости. Устройство содержит устройства присоединения к объекту, подключенные, к измерительным выводам вводов, узлы защиты токовых цепей, подключенные к выходам устройств присоединения, узлы гальванической развязки и нормализации токовых сигналов с трансформаторами тока на входах, подключенные к выходам узлов защиты токовых цепей, узлы гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения измерительными трансформаторами напряжения на входе, получающие входные сигналы от сетевого трансформатора напряжения, мультиплексоры аналоговых сигналов тока и напряжения, узел измерений. Узел измерения включает входной мультиплексор аналоговых сигналов, умножающий цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр низкой частоты (ФНЧ) и выходной аналого-цифровой преобразователь. Узел формирования сигналов системы отсчета представляет собой замкнутую систему фазовой автоподстройки частоты, включающую в себя умножающий ЦАП и включенные последовательно с ним в ФНЧ генератор импульсов, управляемый напряжением, двоичный счетчик и преобразователь кодов, выходная шина данных которого подключена к цифровому входу умножающего цифроаналогового преобразователя. В устройство также входят: коммуникационный узел, содержащий элементы отображения, клавиатура и коммуникационный интерфейс, узел связи с системой сигнализации и защиты, интерфейс связи с верхним уровнем системы, формирователь калибровочного сигнала, выполненный в виде цифро-аналогового преобразователя, управляющий контроллер. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике в области электрооборудования высокого напряжения и предназначено для непрерывного эксплуатационного контроля (мониторинга) изоляции, диагностики, сигнализации и защиты высоковольтных вводов силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

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. Канада: 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 изобретений, относящихся к устройствам 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.).

Сущность метода заключается в следующем: рассматривается сигнал, являющийся продуктом суммирования токов утечки изоляции однотипных контролируемых вводов всех трех фаз. При одинаковых коэффициентах в каналах передачи сигналов и равных токах этот сигнал равен нулю. Это возможно в идеальном случае - при равенстве параметров всех трех вводов и равенстве параметров режимов работы трех фаз. При вводе устройства в эксплуатацию, на этапе настройки, неизбежные в реальной действительности отклонения от идеала компенсируются подстройкой коэффициентов передачи в отдельных каналах. Сумматор настраивается так, чтобы сигнал на выходе был равен нулю с погрешностью, не превышающей заданную. При этом принимается, что исходное состояние изоляции вводов не вызывает опасений. Считается также, что скорость деградации изоляции вводов не может быть одинаковой (по мнению П.М.Сви, это верно в подавляющем большинстве случаев). При этом допущении нарастание выходного сигнала сумматора, вызванное небалансом токов утечки изоляции, свидетельствует об усиленной деградации изоляции одного из вводов. По амплитуде и фазе выходного сигнала определяется неблагополучный ввод и делаются количественные оценки отклонений параметров изоляции.

Метод привлекателен заманчивой простотой в реализации, чем и объясняется почти повсеместное его использование. Но он, а следовательно, устройства и системы, реализующие его, обладают весьма 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;

- указанные выше недостатки не дают возможности использовать устройства для защиты вводов.

Невозможность позиционировать свои изделия как устройства защиты вводов, неправильные срабатывания которых приводят к весьма серьезным последствиям, заставляет изготовителей определять свои изделия как системы мониторинга и сигнализации. Исключение составляет устройство КИВ, которое разработано в 60-х годах прошлого века и до сих пор эксплуатируется на энергетических объектах России и ближнего зарубежья. КИВ хорошо предотвращает аварии, связанные с пробоем слоев изоляции ввода, однако, процент ошибочных срабатываний при плавных изменениях выходного сигнала, а также вызванных возмущениями в сети, сравнительно велик, что, определенно, является следствием указанных выше недостатков. По мнению специалистов ФСК и РАО ЕЭС КИВ морально устарел и требует замены.

Авторские свидетельства и патенты, приведенные выше, защищают технические решения, направленные на устранение некоторых из указанных недостатков. В частности, авторское свидетельство СССР №384080 и патент Российской Федерации №2003127 посвящены компенсации влияния асимметрии напряжений сети. Для этого в первом устройстве к сумматору добавляются три резистора, связанные с соответствующей фазой сети через трансформатор напряжения. Во втором резисторы заменены подстраиваемыми комплексными сопротивлениями, одним выводом которые подключены к фазным выводам трансформатора напряжения, а вторым через инвертор фазы к одному из входов дополнительного двухвходового сумматора, на второй вход которого подается ток утечки изоляции соответствующего ввода. Выходные сигналы указанных трех дополнительных сумматоров подаются на входы основного сумматора.

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.

В качестве прототипа принимается система R1500 мониторинга и сигнализации технического состояния маслонаполненных вводов трансформаторов производственно-внедренческой фирмы «Вибро-Центр», г.Пермь, www.vibrocenter.ru/r1500.htm. Эта система наиболее близка заявляемому устройству по структуре и выполняемым задачам. Система выполнена на современном уровне и обладает следующими существенными признаками:

- объект мониторинга (контроля) - три (шесть) высоковольтных ввода трансформатора или автотрансформатора, представляемые обычно схемой замещения в виде емкостного делителя с измерительным выводом;

- устройства присоединения к объекту, подключаемые к измерительному выводу объекта; иногда их называют датчиками тока утечки изоляции ввода;

- узлы защиты токовой цепи, содержащие кроме электронных цепей защиты ручной переключатель, которым в случае надобности можно шунтировать цепь тока утечки изоляции ввода на входе устройства;

- узлы гальванической развязки и нормализации токовых сигналов с приборными измерительными трансформаторами тока, используемые для гальванической развязки и как средство борьбы с помехами и наводками;

- основной (трехвходовый) и дополнительные фазные сумматоры сигналов;

- узел измерений, включающий, как правило, в себя коммутатор аналоговых сигналов(мультиплексор) и аналого-цифровой преобразователь;

- формирователь калибровочного сигнала;

- управляющий микроконтроллер, включающий в себя ПЗУ, ОЗУ и т.д.;

- блок сигнализации или узел связи с системой сигнализации;

- коммуникационный узел, состоящий, как правило, в современных системах из устройства отображения (знакосинтезирующие индикаторы или дисплей, светодиоды), устройства ввода (клавиатура) и последовательного интерфейса;

- в современных системах блок (узел) связи с верхним уровнем, включающий в себя последовательный интерфейс. Система реализует классический неравновесно-компенсационный метод измерений, и ей присущи все недостатки, которые перечислены выше, а именно:

- недостоверность получаемых количественных оценок деградации параметров изоляции вводов;

- зависимость выходного сигнала от внешних факторов;

- невозможность осуществления защиты вводов.

Целью изобретения является повышение достоверности оценок и надежности определения предаварийного состояния ввода, а также расширение функциональных возможностей за счет обеспечения защиты.

Достижение цели обеспечивается непрерывным слежением за состоянием ввода в процессе эксплуатации с прямыми измерениями параметров изоляции вводов. Прямые измерения таких параметров изоляции, как tgδ и емкость основной изоляции С1, дает возможность использовать для оценки состояния ввода критерии, задаваемые существующими нормативными документами (например, «Объем и нормы испытаний электрооборудования» / Под общ. Ред. Б.А.Алексеева, Ф.Л.Когана, Л.Г.Мамиконянца. - 6-е изд., с изм. и доп. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. - 256 с.), что в значительной мере исключает неопределенность при вынесении диагностического заключения.

Прямые измерения проводятся на каждом отдельно взятом вводе, поэтому вопрос о влиянии асимметрии напряжений здесь вообще не стоит.

Однако проведение таких измерений, особенно в автоматическом режиме, связано с известными трудностями выделения сигнала малого уровня из помех, значительно превышающих этот уровень. Это электромагнитные поля от находящихся в непосредственной близости токоведущих частей трансформатора и шин под напряжением в сотни киловольт с килоамперными токами; это помехи от короны; это помехи, возникающие при штатных переключениях на подстанции, изменениях нагрузки, помехи от грозовых разрядов и т.д. Даже с учетом использования всевозможных защитных мер следует ожидать достаточно сильных искажений измеряемых сигналов. Искажения сигналов носят аддитивный характер, так как по пути от источника до измерительного элемента они не претерпевают нелинейных преобразований.

Сложность измерений в таких условиях усугубляется тем, что в цепи измерительного тракта до измерительного органа недопустима установка каких-либо серьезных помехоподавляющих фильтров, поскольку это приведет к сдвигу первой гармоники измеряемого сигнала, а следовательно, к дополнительной погрешности при измерениях емкости изоляции и особенно tgδ.

Необходим метод, обеспечивающий в данных условиях необходимую точность и достоверность измерений. Такой метод существует и самым естественным образом соответствует сути поставленной задачи и наилучшим образом способствует решению описанных проблем. Это метод ортогональных или векторных измерений. Сущность изобретения заключается в реализации этого метода.

Пусть к вводу i-й фазы приложено фазное напряжение, на которое могут быть наложены искажения, включающие в себя в общем виде регулярную и случайную составляющие. Первая гармоника этого напряжения

U_Фi(t)=U_1mФicos(ωt),

где: U_1mфi - амплитуда первой гармоники.

Тогда входной сигнал измерительного устройства, относящийся к этой фазе, который является током утечки изоляции ввода с наложенными на него искажениями и помехами, описывается выражением:

где: К_Т - коэффициент передачи в канале измерения тока;

K_ТI_1misin(ωt+δ_i) - первая гармоника - полезный сигнал;

- регулярные составляющие помехи;

ξ_i(t) - случайная составляющая сигнала помехи.

Этот сигнал умножается на сигнал

синфазный с напряжением системы отсчета, т.е. с сигналом фазного напряжения с ТН рассматриваемой фазы

U_THi(t)=k_THU_ТНфicos(ωt)

где: k_TH - передаточный коэффициент в канале измерения напряжения.

На выходе умножителя имеем:

Рассмотрим составляющие сигнала на выходе умножителя. Первое слагаемое в правой части (3) дает:

Первое слагаемое в (4) - синусоида двойной частоты не несет полезной информации и должна быть впоследствии отфильтрована. Второе слагаемое - полезный сигнал, представляющий собой проекцию вектора первой гармоники входного сигнала на ось абсцисс в принятой системе отсчета, т.е. сигнал, пропорциональный активной составляющей входного сигнала.

Второй член в правой части (3) в результате умножения дает:

Это сумма гармоник, кратных частоте сети, в том числе и первая гармоника. Они также являются вредными составляющими.

Выделение полезного сигнала - постоянной составляющей не представляет особого труда: это осуществляется фильтром низких частот (ФНЧ) с последующим полным подавлением частот, кратных частоте сети, при аналогово-цифровом преобразовании с помощью интегрирующего АЦП или АЦП с сигма-дельта модуляцией на интервале, равном или кратном периоду частоты сети.

Третий член в выражении (3) представляет собой продукт умножения случайного сигнала помехи на cosωt. Он также является случайным сигналом, амплитудные показатели которого не больше аналогичных характеристик сигнала ξ_i(t). Этот сигнал в значительной степени будет подавлен ФНЧ, а остаточные проявления вызовут случайные отклонения в замерах АЦП, что потребует соответствующей статистической обработки результатов измерений.

Если умножить сигнал (1) на сигнал

также синхронизированный с системой отсчета, то, аналогично, как в (3), первый член выражения

дает в качестве полезного сигнала постоянную составляющую пропорциональную реактивной составляющей исследуемого сигнала в принятой системе отсчета.

Если исследуемый сигнал (1) является сигналом, пропорциональным току с измерительного вывода контролируемого трансформаторного ввода, то указанное преобразование позволяет получить активную и реактивную составляющие первой гармоники тока изоляции ввода. Если же в качестве исследуемого сигнала взять сигнал фазного напряжения

даже с наложенными на него помехами, как в сигнале (1), и умножить его на сигнал (2), то постоянная составляющая выходного сигнала

будет пропорциональна амплитуде первой гармоники фазного напряжения. Достаточно измерить частоту сети ω=2πf, и полученных данных будет вполне достаточно для определения следующих характеристик изоляции ввода по параллельной схеме замещения:

- тангенс угла диэлектрических потерь tgδ

- емкость основной изоляции ввода С_х

- активное сопротивление основной изоляции ввода R

- амплитуда первой гармоники тока изоляции ввода

Действующие значения первых гармоник тока изоляции и фазного напряжения можно получить делением на амплитудных значений (13) и полученного из (9).

Основные трудности в осуществлении этого метода заключаются в реализации операции умножения и формировании системы отсчета в виде косинусоиды и синусоиды с единичной амплитудой, синфазных с первой гармоникой фазного напряжения, т.е. аналогов ортов в векторном представлении. Современные средства микроэлектроники позволяют достаточно эффективно сделать это.

Для реализации описанного метода в устройство мониторинга и сигнализации высоковольтных вводов, содержащее устройства присоединения по числу контролируемых вводов, подключенных к измерительным выводам последних, узлы защиты токовых цепей с измерительными трансформаторами тока, подключенные к выходам соответствующих устройств присоединения, узел измерений, включающий в себя входной мультиплексор аналоговых сигналов и аналого-цифровой преобразователь на выходе, а также коммуникационный узел с элементами отображения, клавиатурой и коммуникационным интерфейсом, узел связи с системой сигнализации, интерфейс связи с верхним уровнем системы, формирователь калибровочного сигнала, выполненный в виде цифроаналогового преобразователя, и управляющий контроллер, введены дополнительные функциональные узлы и элементы. Устройство дополнено измерительным трансформатором напряжения системы высоковольтных шин, питающих контролируемые вводы, и узлами гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения, получаемых от указанного трансформатора, с измерительными трансформаторами напряжения на входах. Узлы гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения через соответствующий управляемый контроллером мультиплексор связаны с узлом измерений и вновь введенным узлом формирования сигналов системы отсчета. Последний включает в себя умножающий цифроаналоговый преобразователь на входе и включенные последовательно с ним в указанной последовательности фильтр низкой частоты, генератор импульсов, управляемый напряжением, двоичный счетчик и выходной преобразователь кодов. При этом выходы узлов гальванической развязки и нормализации сигналов тока через соответствующий управляемый контроллером мультиплексор электрически связаны с входом узла измерений, в который дополнительно введены умножающий цифроаналоговый преобразователь, аналоговый вход которого соединен с выходом входного мультиплексора, также управляемого контроллером, и подключенный к его выходу фильтр низкой частоты, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя.

Операция умножения в заявляемом устройстве с необходимой точностью и в темпе рассматриваемого процесса осуществляется с помощью умножающего цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Входной аналоговый сигнал (1) умножается на косинусоиду (2) или синусоиду (6), представленную в цифровом виде. Генерация и синфазирование цифровых сигналов возлагается на узел формирования сигналов системы отсчета, в основе которого лежит система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Для пояснения существа изобретения на фиг.1 изображена структурная схема примера конкретной реализации заявляемого устройства в трехфазном варианте; на фиг.2 показан вариант исполнения узла измерений; на фиг.3 - вариант исполнения с введенным в узел формирования сигналов системы отсчета цифровым потенциометром.

К шинам А, В, С высоковольтной сети подключен объект контроля 1 - три высоковольтных ввода, к измерительным выводам которых присоединены три устройства 2 подключения к объекту, обеспечивающие съем и передачу в канал измерений тока утечки изоляции соответствующего ввода, по величине и фазе которого оцениваются основные параметры изоляции ввода. Выходы устройств подключения, в свою очередь, через соответствующие узлы 3 защиты токовых цепей подключены к входам узлов 4 гальванической развязки и нормализации токовых сигналов. Последние в качестве развязывающих и согласующих элементов содержат приборные измерительные трансформаторы тока. Устройства присоединения к объекту и узлы защиты токовых цепей позволяют осуществлять измерения под рабочим напряжением.

К тем же шинам сети подключен измерительный трансформатор напряжения 5, вторичные обмотки которого подключены к входам соответствующих узлов 6 гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения. В них в качестве развязывающих и согласующих элементов использованы приборные измерительные трансформаторы напряжения.

Выходы узлов развязки и нормализации 4 и 6 соединены с соответствующими входами парного трехвходового коммутатора (мультиплексора) аналоговых сигналов 7, управляющий вход которого связан с шиной 8 управления мультиплексорами управляющего микроконтроллера 9. Первый выход мультиплексора 7 подключен к соответствующему входу узла измерений 10, а второй - к другому входу узла 10 и к входу узла 11 формирования сигналов системы отсчета.

Узел 11 представляет собой разновидность системы фазовой автоподстройки частоты, состоящей из умножающего цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 12, играющего роль фазового детектора, и последовательно соединенных с ним элементов: фильтра низкой частоты (ФНЧ) 13, генератора импульсов 14, управляемого напряжением (ГУН), 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.

Узел измерений 10 включает в себя последовательно соединенные: входной четырехвходовый аналоговый мультиплексор 18, включенный на его выходе умножающий цифроаналоговый преобразователь 19, фильтр низкой частоты 20 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21. Цифроаналоговый преобразователь 22 выступает в роли формирователя калибровочных сигналов. 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.

Заявляемое 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.

Работает устройство следующим образом. Управление работой осуществляет микроконтроллер 9, программное обеспечение которого должно гарантировать выполнение всех функций, возлагаемых на устройство: организация калибровки и измерений, вычисление текущих значений контролируемых параметров изоляции (10)...(13), отображение на местных средствах индикации, передача измеренных значений по запросу на верхний уровень, ведение архива и т.д. - все это функции мониторинга. Кроме того, устройство должно выполнять функции сигнализации и защиты.

На входы мультиплексора 7 постоянно поступают сигналы токов утечки контролируемых вводов 1 и фазных напряжений высоковольтной сети АВС, соответствующим образом преобразованные в узлах 4 и 6.

Для вычисления параметров изоляции, заданных выражениями (10)...(13), для каждого ввода 1 необходимо замерить активную и реактивную составляющие тока утечки изоляции ввода, фазное напряжение, а также частоту сети. Измерение активной составляющей тока требует подачи на входы умножающего ЦАП 19 узла измерений 10 сигнала U_I и синусный опорный сигнал; реактивной составляющей тока - сигнал U_I и косинусный опорный сигнал; измерение напряжения - сигнал U_ф и косинусный опорный сигнал. После выдержки на затухание переходного процесса в фильтре ФНЧ 20 АЦП 21 может делать замеры постоянной составляющей сигнала на выходе фильтра. Для полного подавления регулярных составляющих помехи АЦП должен быть интегрирующего типа с временем интегрирования равным или кратным периоду сети или это должен быть АЦП с сигма-дельта модуляцией и встроенным цифровым фильтром, настроенным на подавление гармоник, кратных частоте сети. Микросхемы таких АЦП широко представлены на рынке. Они недороги и обладают высокой точностью. Правда, быстродействие их относительно невелико, но для применения в заявляемом устройстве они великолепно подходят. Для исключения влияния случайной составляющей помехи статистическими методами можно сделать достаточно большое число замеров, что позволит вычислить среднее арифметическое, принимаемое как результат измерения, и доверительные границы случайной составляющей погрешности результата измерения.

Начало цикла измерения параметров изоляции очередного ввода определяется переключением коммутатора аналоговых сигналов 7, которое задает управляющий контроллер 9 посредством шины управления 8. При очередном переключении коммутатора аналоговых сигналов 7 на вход умножающего ЦАП 12 узла формирования сигналов системы отсчета 11 поступает сигнал U_ф, пропорциональный фазному напряжению, т.е. напряжению под которым находится контролируемый ввод. На соответствующие входы аналогового мультиплексора 18 узла измерений 10, кроме указанного сигнала, поступает сигнал U_I, пропорциональный току утечки контролируемого ввода. Переключение инициирует переходные процессы в узле измерений 10 и в узле 11. На время этих переходных процессов до их полного затухания АЦП 21 блокируется.

Фазное напряжение, поступающее на аналоговый вход умножающего ЦАП 12 блока 11, представляющего собой разновидность системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), является для системы задающим сигналом, а цифровая синусоида, поступающая по шине данных 17, - сигналом обратной связи. Следует заметить, ЦАП 12, как и другие ЦАП, используемые в заявляемом устройстве, работают с цифровыми сигналами, задаваемыми в параллельном коде, т.е. по устоявшейся терминологии являются цап параллельного типа.

Умножающий ЦАП 12 в системе ФАПЧ играет роль фазового детектора. Такой выбор фазового детектора обусловлен тем, что входной сигнал с трансформатора напряжения может в общем случае иметь искажения, а умножающий ЦАП как фазовый детектор гарантирует синфазирование с первой гармоникой этого сигнала. Если входной i-й задающий сигнал кроме первой гармоники

содержит, как в (1) регулярные и случайные составляющие помехи, то после умножения его на опорную синусоиду, имеющую начальное рассогласование в фазе β_i

выходной сигнал ЦАП будет иметь полезную постоянную составляющую

и сумму высших гармоник. Фильтр низкой частоты 13 выделит из этого сигнала постоянную составляющую (16), которая будет воздействовать на частоту выходных импульсов генератора ГУН 14 так, что фаза опорной синусоиды (15) будет изменяться в сторону уменьшения сигнала (16), т.е. уменьшения β_i. Поскольку обратная связь отрицательная, то по истечении переходного процесса опорные сигналы будут синфазированы с задающим сигналом. Фильтр низкой частоты 13 должен содержать интегратор, в этом случае система ФАПЧ будет обладать астатизмом первого порядка по отношению к фазовым отклонениям. А это значит, что фазные рассогласования между задающим и опорными сигналами в установившемся режиме принципиально будут отсутствовать. Конечно, в реальности некоторое рассогласование, обусловленное неидеальностью элементов системы ФАПЧ, будет иметь место, но оно легко может быть сведено к приемлемому минимуму за счет соответствующего выбора элементов или введения компенсирующих воздействий.

Двоичный счетчик 15 и преобразователь кодов 16 вместе составляют формирователь системы цифровых опорных сигналов. Двоичный счетчик работает в сторону нарастания выходного кода, при переполнении счетчик сбрасывается на ноль и продолжает работу. Емкость счетчика равна числу точек задания функции опорного сигнала на периоде сети. Таким образом, каждой точке соответствует код двоичного счетчика, который характеризует в установившемся режиме работы ФАПЧ положение этой точки на периоде сети относительно начала отсчета. Преобразователь кодов 16 имеет память, в которой записаны значения кодов опорных сигналов для каждой из точек задания функции, и электронную логическую схему, обеспечивающую по коду двоичного счетчика извлечение нужного кода из памяти и выставление его на шину данных 17, откуда код будет считан соответствующим цифроаналоговым преобразователем по фронту своего импульса управления.

Характерной особенностью применяемых в заявляемом устройстве ЦАП-ов является наличие двух регистров для хранения входных параллельных кодов, запись в которые производится по фронту своих управляющих импульсов: регистр предварительной записи (Рг.1) и исполнительный регистр (Рг.2), код в который переносится из Рг.1. В перечнях продукции любой из электронных фирм, выпускающих ЦАП-ы, можно найти умножающие цифроаналоговые преобразователи с такой конфигурацией встроенных входных регистров, что соответствует шинной организации обмена данными, поэтому реализация такой схемы не должна встретить затруднений.

Поскольку одновременно формируются два опорных сигнала и один сигнал калибровки измерительного тракта (о калибровке речь пойдет ниже), то темп работы логической схемы и шины данных должен быть, как минимум, в четыре раза выше темпа работы двоичного счетчика. В течение времени между сменами кодов двоичного счетчика логическая схема должна выставить на шину данных последовательно три кода, сформировать три импульса записи в предварительные регистры соответствующих ЦАП-ов и один общий импульс записи в исполнительные регистры. Одновременная запись в исполнительные регистры всех ЦАП-ов является обязательным условием поддержания точности устройства. Указанные импульсы записи формируются преобразователем кодов и передаются во все цифроаналоговые преобразователи по шине управления 31. Кроме того, логическая схема должна обеспечивать по сигналам шины управления 24 от контроллера различные варианты задания опорных сигналов на ЦАП 19 узла измерений и кодов калибровочных сигналов на ЦАП 22, а также должна формировать логический сигнал 32 с периодом сети, поступающий на контроллер, для замера частоты сети.

Проще всего упомянутая логическая схема реализуется, если разрядность двоичного счетчика выбрать на две единицы больше числа точек задания функции на периоде сети, а расчетную частоту генератора 14 задать в четыре раза выше частоты квантования системы ФАПЧ. Тогда выходные коды двоичного счетчика могут быть использованы как адреса соответствующих ячеек памяти, импульсы генератора 14 - как тактовые для логической схемы, а вся логическая схема может быть реализована на простейшей программируемой логической матрице.

Точность измерений устройства, длительное время работающего в автоматическом режиме, без участия человека, может быть обеспечена периодической калибровкой измерительного тракта. Для этого в заявляемом устройстве предусмотрен формирователь калибровочного сигнала, роль которого выполняет ЦАП 22. Таким калибровочным сигналом может быть, например, синусоида, смещенная на вполне определенный фиксированный угол относительно системы отсчета. Поскольку точность и неизменность параметров синусоиды: форма, амплитуда и угол сдвига - гарантируются расчетом и выбором элементов схемы, то эта синусоида может служить калибровочным сигналом уровня полной шкалы измерений, как для активной, так и реактивной составляющих тока, а также для измерителя напряжения. Калибровка нуля шкалы производится по нулю схемы. Периодичность проведения калибровки определяется разработчиком по результатам расчетов и испытаний схемы устройства.

Вычисленные параметры изоляции микроконтроллером 9 сравниваются с наперед заданными пороговыми значениями, определяемыми руководящими документами. При превышении порогов контроллер вызывает срабатывание соответствующих реле, контакты которых включены в цепи систем сигнализации и защиты вводов подстанции. Наличие всех этих функций является непременным атрибутом всех аналогичных современных систем, поэтому возможность реализации их не вызывает сомнений.

Заявляемое устройство, построенное по фиг.1, производит измерения активной и реактивной составляющих тока утечки изоляции ввода, необходимых для вычисления tgδ, а также реактивной составляющей тока и фазного напряжения, необходимых для вычисления емкости, поочередно, со сдвигом во времени. Динамика процессов деградации изоляции настолько низка, что возможные погрешности, вызванные неодновременностью замеров, просто не принимаются во внимание. Однако в энергосистемах иногда протекают процессы, связанные с «набросами», «просадками» или колебаниями напряжения. Неодновременность замеров в таком случае может вызвать достаточно большие искажения результатов вычислений tgδ и емкости С1. Факт, вполне простительный для системы мониторинга, неприемлем для системы сигнализации и вообще недопустим для системы защиты, поскольку последствия от фиксации отклонения параметра в системе мониторинга, возможного срабатывания сигнализации, а тем более защиты - несоизмеримы. Для исключения этой возможности предлагается узел измерений 10 в заявляемом устройстве дополнить вторым измерительным трактом.

Предлагаемое решение представлено на фиг.2. В узле измерений 10 микросхема аналогового мультиплексора 18 заменена микросхемой аналогичного парного аналогового мультиплексора, умножающий ЦАП - на микросхему парного умножающего ЦАП 19, микросхема фильтра низкой частоты - на микросхему парного ФНЧ 20. Между АЦП 21 и двойным ФНЧ 20 вводится дополнительный двухвходовый аналоговый мультиплексор 33. В некоторых разновидностях микросхем АЦП такой мультиплексор встроен в саму микросхему. Микросхема парного ЦАП 19 имеет один вход для шины данных, по которой оба ЦАП-а получают друг за другом мгновенные значения цифровых опорных сигналов в свои буферы предварительной записи. Перезапись в исполнительные буферы производится одновременно. Это обеспечивается сигналами управления, аналогичными сигналам на фиг.1, представленными на фиг.2 шиной управления, идущей от преобразователя кодов 16.

Логика работы узла измерений 10 проста: при задании на входы двух ЦАП 19 сигнала U_I, пропорционального току утечки ввода, производится одновременно измерения активной и реактивной составляющих тока, для чего на один ЦАП подается опорная синусоида, а на другой - опорная косинусоида, а управление мультиплексором 31 и АЦП 21 осуществляется так, что АЦП делает замер то на одном, то на другом канале измерений. В результате, образуются две выборки замеров, средние арифметические значения которых принимаются как результаты одновременных измерений активной и реактивной составляющих тока для вычисления tgδ. Аналогично, задав на входы одного ЦАП сигнал U_I и опорную синусоиду, а на входы второго - сигнал фазного напряжения U_ф и опорную косинусоиду, получим измерения реактивной составляющей тока и фазного напряжения для вычисления емкости С1. В данной конфигурации легко производится и калибровка обоих измерительных трактов.

Следует подчеркнуть, что реализация данного предложения дает, кроме ускорения работы устройства, вышеизложенные качественные изменения, а увеличение стоимости устройства весьма незначительно.

Схема измерений заявляемого устройства, как, впрочем, и любая другая, предназначенная для измерения tgδ, весьма чувствительна к погрешностям в синфазировании системы отсчета с задающим сигналом с трансформатора напряжения.

Выше упоминалось, что снижение ошибки синфазирования опорных сигналов системы отсчета с первой гармоникой задающего сигнала с трансформатора напряжения может быть осуществлено за счет выбора высококачественных элементов, реализующих интегрирующее звено системы ФАПЧ, а полное устранение как систематической ошибки - заданием на вход интегратора соответствующего компенсирующего сигнала. Это обычно осуществляется подстроечным потенциометром через резистор, подключенный в суммирующую точку операционного усилителя интегратора пни настройке прибора.

Однако такое техническое решение не исключает дополнительные погрешности, обусловленные температурными и временными дрейфами элементов аппаратуры. Этот недостаток особенно нежелателен для систем мониторинга и защиты, принципиально предназначенных для длительного функционирования в жестких климатических условиях.

Указанный недостаток в заявляемом устройстве можно устранить автоматической корректировкой компенсирующего сигнала непосредственно перед проведением измерений, сводящей рассогласование по фазе между сигналами системы отсчета и первой гармоникой задающего напряжения к величине, ограничиваемой чувствительностью прибора, т.е. практически к нулю.

Это предложение реализуется следующим образом (см. фиг.3): система ФАПЧ дополняется цифровым потенциометром (ЦП) 34, управляемым контроллером по шине управления 23 последовательного интерфейса SPI, по которой также осуществляется связь контроллера с АЦП. Сигнал от цифрового потенциометра подается в суммирующую точку операционного усилителя DA1 фильтра низкой частоты ФНЧ 13 через резистор 35 (R3). Схема ФНЧ, представленная на фиг.3 в качестве примера, является типичной для замкнутой системы ФАПЧ данного типа. Ее передаточная функция содержит интегрирующее звено и обеспечивает структурную устойчивость замкнутого контура с астатизмом второго порядка. Цифровой потенциометр 34 включен между двумя разнополярными уровнями напряжения питания «+U_п» и минус U_п («-U_п») через ограничивающие резисторы 36 (R4) и 37 (R5), что обеспечивает задание компенсирующего сигнала любой полярности, ограничение верхних значений корректирующего сигнала и повышение разрешающей способности цифрового потенциометра.

Необходимым и достаточным условием полного синфазирования опорных сигналов системы отсчета с первой гармоникой задающего сигнала является равенство нулю реактивной составляющей измеряемого напряжения. Проверка этого условия и при необходимости задание соответствующего корректирующего воздействия с помощью цифрового потенциометра 34 для его выполнения легко реализуется в заявляемом устройстве. Программное обеспечение контроллера должно обеспечивать выполнение следующего алгоритма в начале основного цикла измерений желательно непосредственно после калибровки измерительного тракта (на примере устройства по фиг.1):

- на вход измерительного устройства 10 задается фазное напряжение U_ф;

- на цифровой вход умножающего ЦАП 19 задается синусный опорный сигнал (6);

- при начальном значении кода для цифрового потенциометра 34, определяющего корректирующий сигнал, задаваемом при переключении на очередную фазу и сохраняемом от предыдущего цикла, производится измерение реактивной составляющей фазного напряжения U_фр;

- производится проверка измеренного значения U_изм на соответствие условию U_изм=U_фр≤|U_пор|. Наперед заданное пороговое значение U_пор определяет максимальную величину допустимого рассогласования по фазе. Предельное минимальное значение U_пор соответствует одной единице младшего разряда выходного кода АЦП, т.е. пределу чувствительности измерительного устройства;

- если указанное условие не выполняется, производится корректировка кода цифрового потенциометра в сторону, гарантирующую выполнение условия, и повторяются два предыдущих шага алгоритма. При известном коэффициенте передачи цифрового потенциометра 34 корректировка занимает не более одной итерации.

Возможность корректировки фазы сигналов системы отсчета позволяет устранять основные составляющие систематической погрешности, связанных с фазными сдвигами измеряемых токов и фазных напряжений, если они известны или если принципиально их можно измерить и учесть. В первую очередь, это относится к сдвигам на приборных трансформаторах тока и напряжения. При настройке прибора определяются дополнительные составляющие корректирующего кода цифрового потенциометра для каждой измеряемой фазы, запоминаются и в дальнейшем, при выполнении измерений, суммируются с значением, полученным в результате выполнения вышеописанного алгоритма по устранению фазных погрешностей системы ФАПЧ.

Точно также могут быть учтены и фазовые погрешности измерительного трансформатора напряжения, фазные напряжения которого являются задающими сигналами для системы ФАПЧ заявляемого устройства, если они будут известны.

Заявляемое устройство предназначено главным образом для использования в качестве составной части системы непрерывного контроля, диагностики, сигнализации и защиты высоковольтных вводов, которая даст возможность в максимальной степени использовать полученные и накопленные данные в целях наиболее полной диагностики изоляции ввода, раннего обнаружения развития дефектов и предупреждения аварийных ситуаций. Однако оно может быть использовано вне указанной системы, без задействования верхнего уровня, только как устройство системы сигнализации и защиты.

Точность устройства определяется точностью и стабильностью основных элементов измерительного тракта - ЦАП и АЦП, а также точностью задания цифровых опорных гармонических сигналов (2) и (6). Точность задания последних определяется разрядностью ЦАП и числом точек на периоде сети, которыми представлены эти сигналы, т.е. частотой квантования системы ФАПЧ. Для простоты реализации системы ФАПЧ следует выбрать интервалы между точками одинаковыми, а число точек, равным 2^к, где к - целое положительное число, хотя в общем случае эти два условия не обязательны. Это позволяет сделать счетчик в простейшем варианте: двоичный к-разрядный. Сдвиг на половину периода квантования между исходной гармонической функцией и первой гармоникой аппроксимирующей ее ступенчатой цифровой функции может быть скомпенсирован заданием в моменты квантования не мгновенных значений исходной функции, а средних значений на интервале между данным и последующим моментами квантования.

Расчеты показывают, что выбор 16-разрядных ЦАП и АЦП и задание 1024 точек квантования на периоде сети (к=10) дают вполне приемлемые результаты по точности устройства (основная погрешность определения tgδ не более 0,05%), а современная элементная база делает стоимость устройства вполне разумной. Следует заметить, что поскольку основная погрешность измерения параметров изоляции определялась в основном не разрядностью ЦАП и АЦП и не числом точек квантования, то можно без серьезных последствий уменьшить разрядность до 14 и даже 12, а число точек квантования - как минимум вдвое.

1. Устройство мониторинга высоковольтных вводов и сигнализации о состоянии их изоляции, содержащее нулевую шину, устройства присоединения по числу контролируемых вводов, входами подключенные к измерительным выводам соответствующих высоковольтных вводов, узлы защиты токовых цепей, подключенные к выходам устройств присоединения, узлы гальванической развязки и нормализации токовых сигналов с трансформаторами тока на входах, подключенные к выходам узлов защиты токовых цепей, узел измерений, включающий в себя входной мультиплексор аналоговых сигналов и выходной аналого-цифровой преобразователь, коммуникационный узел, содержащий элементы отображения, клавиатуру и коммуникационный интерфейс, узел связи с системой сигнализации, интерфейс связи с верхним уровнем системы, формирователь калибровочного сигнала, выполненный в виде цифроаналогового преобразователя, управляющий контроллер, связанный соответствующими шинами управления и данных с вышеупомянутыми мультиплексором аналоговых сигналов, аналого-цифровым преобразователем, элементами отображения, клавиатурой, коммуникационным интерфейсом, узлом связи с системой сигнализации, интерфейсом связи с верхним уровнем системы, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены: трансформатор напряжения с первичными и вторичными обмотками, первичные обмотки которого подключены к системе высоковольтных шин, питающих контролируемые высоковольтные вводы; узлы гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения с измерительными трансформаторами напряжения на входе, подключенные к вторичным обмоткам соответствующих фаз указанного трансформатора; два мультиплексора аналоговых сигналов, первый из которых входами подключен к выходам соответствующих узлов гальванической развязки и нормализации сигналов тока, а второй - к выходам соответствующих узлов гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения; узел формирования сигналов системы отсчета, включающий в себя умножающий цифроаналоговый преобразователь и включенные последовательно с ним в указанной последовательности фильтр низкой частоты, генератор импульсов, управляемый напряжением, двоичный счетчик и преобразователь кодов, выходная шина данных которого подключена к цифровому входу умножающего цифроаналогового преобразователя; при этом в узел измерений введен умножающий цифроаналоговый преобразователь, аналоговый вход которого соединен с выходом входного мультиплексора, и подключенный к его выходу фильтр низкой частоты, выход которого электрически связан с входом аналого-цифрового преобразователя; выход первого мультиплексора подключен к первому входу входного мультиплексора узла измерений, второй вход последнего соединен с выходом второго мультиплексора, третий вход входного мультиплексора узла измерений подключен к выходу формирователя калибровочных сигналов, четвертый вход - к нулевой шине устройства; аналоговый вход умножающего цифроаналогового преобразователя узла формирования сигналов системы отсчета, являющийся входом задающего сигнала узла формирования сигналов системы отсчета, подключен к выходу второго мультиплексора аналоговых сигналов; выходная шина данных преобразователя кодов, являющаяся выходом узла формирования сигналов системы отсчета, подключена к цифровым входам умножающего цифроаналогового преобразователя узла измерений и цифроаналогового преобразователя, являющегося формирователем калибровочного сигнала, выходная шина управления преобразователя кодов соединена с входами управления записью всех вышеперечисленных цифроаналоговых преобразователей, выход преобразователя кодов соединен с соответствующим входом управляющего контроллера, входы управления преобразователя кодов соединены с соответствующей шиной управления управляющего контроллера, а контроллерная шина управления мультиплексорами подключена ко входам управления всех вышеупомянутых мультиплексоров.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в узел управления дополнительно введены: второй входной аналоговый мультиплексор и соответственно последовательно включенные с ним второй умножающий цифроаналоговый преобразователь, второй фильтр низкой частоты и дополнительный двухвходовый аналоговый мультиплексор, через который выходы фильтров низкой частоты электрически связаны с входом выходного аналого-цифрового преобразователя, причем первый и второй входы второго входного мультиплексора соединены между собой и с первым входом первого входного мультиплексора, третий и четвертый входы второго входного мультиплексора соединены соответственно с третьим и четвертым входами первого входного мультиплексора, входы управления всех мультиплексоров подключены к шине управления мультиплексорами управляющего контроллера, а соответствующие цифровые входы первого и второго умножающих цифроаналоговых преобразователей соединены между собой.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что узел формирования сигналов системы отсчета дополнен цифровым потенциометром, подключенным к разно-полярным источникам питания через ограничительные резисторы, причем фильтр низкой частоты узла формирования сигналов системы отсчета выполнен с интегратором, имеющим вход для ввода компенсирующего сигнала, к которому через резистор подключен выход цифрового потенциометра, а вход управления цифрового потенциометра подключен к шине управления контроллера, соединенной с выходом аналого-цифрового преобразователя узла измерений.