Датчик для системы непрерывного контроля состояния изолирующих конструкций

Авторы патента:

Зарипов Дамир Камилевич (RU)

Игтисамов Марат Чулпанович (RU)

Ибрагимов Рунар Райханович (RU)

Насибуллин Рустем Анасович (RU)

G01R31/08 - определение местоположения повреждений в кабелях, линиях передачи энергии или в сетях (схемы защиты электрических линий, машин и приборов H02H)

Владельцы патента RU 2731169:

ОАО "Сетевая компания" (RU)

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для определения состояния изолирующей конструкции, например гирлянды изоляторов или цельного полимерного изолятора высоковольтной линии электропередачи, при осуществлении непрерывного контроля в составе системы, состоящей из множества таких датчиков, установленных вдоль линии электропередачи. Технический результат заключается в обеспечении непрерывной регистрации различных состояний изолирующей конструкции с указанием наличия частичных электрических разрядов на изоляции и перекрытии изоляции дуговым разрядом (короткого замыкания) при обеспечении минимизации потребления устройством энергии. Сущность: датчик включает входной узел с двумя электродами (1 и 2), выпрямитель (3), вход которого соединен с электродами (1 и 2), а выход через резистор с накопительным конденсатором, первый формирователь импульсов с электронным ключом (4), соединенный с накопительным конденсатором, второй формирователь импульсов с электронным ключом (5), соединенный с накопительным конденсатором через электрический вентиль (6) и с выходом выпрямителя (3) через второй конденсатор, двухканальный регистратор частоты следования импульсов (7), первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго формирователей импульсов (4 и 5) соответственно, сигнализатор короткого замыкания (8), беспроводной передатчик данных (9), соединенный с выходами регистратора частоты следования импульсов и сигнализатора короткого замыкания, передающий сигналы, пропорциональные частоте следования импульсов в каждом канале, а также сигнал короткого замыкания при превышении уровня напряжения от сигнализатора на входе передатчика выше установленного порога. 2 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для определения состояния изолирующей конструкции, например, гирлянды изоляторов или цельного полимерного изолятора высоковольтной линии электропередачи, при осуществлении непрерывного контроля в составе системы, состоящей из множества таких датчиков, установленных вдоль линии электропередачи.

Из уровня техники известен полимерный изолятор, содержащий индикатор состояния в виде источника света, включенного в рассечку цепи присоединения изолятора к внешним элементам, мощность потока светового излучения которого зависит от величины тока утечки через изоляцию (Патент RU №2386184, МПК Н01В 17/00, опубл. 20.06.2010).

Недостатком аналога является то, что реализация заявленного изобретения на действующем оборудовании затруднительна, из-за необходимости создания рассечки цепи присоединения изолирующей конструкции к высоковольтному проводу или заземлению.

Известен способ дистанционной диагностики изолирующей конструкции который может быть реализован с устройством включающим электрический световой излучатель с подключенным параллельно ему разрядником, яркость свечения которого зависит от падения напряжения на его электродах, который устанавливается в месте доступном для наблюдения, при этом один из контактов излучателя заземляют, а второй контакт закрепляют на изолирующем участке конструкции (Патент РФ №2517776, МПК G01R 31/08, опубл. 27.05.2014).

Недостатком данного аналога является отсутствие возможности различения состояния изоляции по степени повреждения или загрязнения используя признак интенсивности частичных электрических разрядов на изоляции.

Известно также устройство определения состояния изолирующих подвесок, которое содержит: измеритель тока утечки; формирователь первого порогового значения тока утечки, формирователь второго порогового значения тока утечки, элемент сравнения, радиопередающее устройство (Патент РФ №2620021, МПК G01R 31/12, опубл. 22.05.2017).

Недостатком аналога является то, что процесс обработки сигналов о состоянии изолирующей подвески устройством, заключающийся в измерении величины тока утечки с последующим сравнением с заданными пороговыми значениями и передачей по радиоканалу, требует значительных затрат энергии от автономного источника питания, поскольку при реализации схема устройства будет сложной и содержать аналого-цифровой преобразователь.

Наиболее близким заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков является устройство, выбранное нами за прототип, включающее световой излучатель с двумя электродами, выпрямитель, вход которого соединен с электродами, а выход через резистор с накопительным конденсатором, первый светоизлучающий элемент с электронным ключом, соединенный с накопительной емкостью, второй светоизлучающий элемент с электронным ключом, соединенный с накопительным конденсатором через электрический вентиль и с выходом выпрямителя через второй конденсатор, при этом второй конденсатор вместе со вторым светоизлучающим элементом с электронным ключом образуют высокочастотный фильтр, постоянная времени которого установлена исходя из допустимой интенсивности частичных электрических разрядов на изолирующей конструкции (Патент РФ №2660754, МПК G01R 31/08, опубл. 09.07.2018).

Недостатком прототипа является то, что описанное устройство не предназначено для непрерывного контроля изоляции, поскольку служит для визуальной оценки состояния, выполняемой при периодических осмотрах персоналом в дневное время и сухую погоду. Регламент периодических осмотров существенно ограничивает достоверность контроля, поскольку, как известно, дефекты изоляции лучше проявляются при увлажнении изоляторов во время туманов, выпадения росы и дождя, когда увеличиваются токи утечки. Осмотры в это время не проводятся.

Задачей изобретения является разработка датчика состояния изолирующей конструкции, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом при реализации заявленного датчика для системы непрерывного контроля состояния изолирующих конструкций является обеспечение непрерывной регистрации различных состояний изолирующей конструкции с указанием наличия частичных электрических разрядов на изоляции и перекрытия изоляции дуговым разрядом (короткого замыкания) при обеспечении минимизации потребления устройством энергии.

Технический результат достигается тем, что датчик для системы непрерывного контроля состояния изолирующих конструкций включает входной узел с двумя электродами, выпрямитель, вход которого соединен с электродами, а выход через резистор с накопительным конденсатором, первый формирователь импульсов с электронным ключом и ограничителем напряжения, соединенный с накопительным конденсатором, второй формирователь импульсов с электронным ключом и ограничителем напряжения, соединенный с накопительным конденсатором через электрический вентиль и с выходом выпрямителя через второй конденсатор, двухканальный регистратор частоты следования импульсов, первый и второй входы которого соединены выходами с первого и второго формирователей импульсов соответственно, сигнализатор короткого замыкания, беспроводной передатчик данных, соединенный с выходами регистратора частоты следования импульсов и сигнализатора короткого замыкания. Беспроводной передатчик передает сигналы пропорциональные частоте следования импульсов в каждом канале, а также сигнал короткого замыкания при превышении уровня напряжения от него на входе передатчика выше установленного порога, что дает возможность контролировать работу и фиксировать отказ изолирующей конструкции в непрерывном режиме в составе беспроводной системы контроля, состоящей дополнительно из устройств приема, обработки и представления информации оператору.

Важным фактором, определяющим реализуемость системы контроля состояния изоляции высоковольтной линии электропередачи на основе датчиков, устанавливаемых вдоль высоковольтной линии электропередачи, является время автономной работы. Датчики должны сохранять работоспособность в течение как минимум нескольких лет при адекватной стоимости. Это предъявляет серьезные требования к схемотехнике данных устройств и к потреблению ими энергии.

Анализ известных технических решений по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности (новизна, изобретательский уровень).

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1 - общая схема, служащая для раскрытия принципа работы датчика для системы контроля состояния изолирующих конструкций; Фиг. 2 - фотография опытного образца датчика.

Принцип работы датчика, заложенный в изобретении, поясняется следующим. Устройство содержит (Фиг. 1): входной узел с электродами 1 и 2 и выпрямителем 3; RC-цепь с резистором R1 и накопительным конденсатором С1; первый формирователь импульсов 4 с электронным ключом и ограничителем напряжения; второй формирователь импульсов 5 с электронным ключом и ограничителем напряжения, подключенный к RC-цепи через конденсатор С1 и вентиль 6; регистратор частоты следования импульсов 7, поступающих с формирователей 4 и 5; сигнализатор короткого замыкания 8; беспроводной датчик 9, передающий сигналы поступающие с регистратора 7 и сигнализатора 8.

Устройство работает следующим образом. Когда изоляция находится в исправном состоянии или дефект незначителен, частичные электрические разряды на изоляции отсутствуют. В этом случае, при достижении в процессе заряда конденсатора С1 (Фиг. 1) на нем порогового напряжения открывания электронного ключа (30-50 В), происходит разряд его через формирователь 4, вызывая сигнал на первом входе регистратора импульсов 7. При этом напряжение на конденсаторе падает до некоторого нижнего порога, электронный ключ прекращает проводить ток и конденсатор С1 начинает заряжаться вновь и далее цикл повторяется. Частота повторения импульсов на входе регистратора носит периодический характер и зависит от ЭДС на входных электродах датчика, которая в свою очередь определяется распределением потенциала вдоль изолирующей конструкции, изменяющимся при ее повреждении или загрязнении. Регистратор импульсов 7 на выходе непрерывно формирует сигналы пропорциональный частоте следования импульсов на входе и передает их в беспроводной передатчик данных 9 для отправки с систему контроля. Элементы схемы R1 и С2 (Фиг. 1) подобраны таким образом, что низкочастотные колебания сети не проникают на второй формирователь импульсов 5. Кроме того, из-за падения напряжения на вентиле 6, пороговое напряжение включения электронного ключа второго формирователя импульсов 5 всегда выше и работает только первый формирователь импульсов 4.

Другая ситуация возникает, когда изоляция значительно повреждена или загрязнена и интенсивность частичных электрических разрядов высока. Частичные разряды создают импульсы напряжения на входе датчика длительностью на несколько порядков меньше периода напряжения промышленной частоты. При определенной величине этих импульсов напряжение на входе второго формирователя импульсов 5 с электронным ключом (Фиг. 1), благодаря малому сопротивлению конденсатора С2 высокочастотным импульсам, может превысить напряжение на формирователе 4 и тогда он включится и сформирует импульс первым. При высокой интенсивности электрических разрядов регистратор 7 будет принимать только импульсы на второй вход с формирователя 5. Характер импульсов не периодический, переходящий в непрерывный. Благодаря наличию вентиля 6, импульсы, вызванные разрядами, не будут влиять на работу первого формирователя 5.

Средняя степень повреждения изоляции, когда интенсивность электрических разрядов мала, будет характеризоваться случайным появлением импульсов со второго формирователя 5 на фоне первого 4 (Фиг. 1). Порог и частота появления импульсов со второго формирователя будет определяться постоянной времени цепи второго конденсатора С2 (Фиг. 1) и данного формирователя (5), образующих вместе высокочастотный фильтр.

Дополнительно формирователи утроены так, что напряжение на их выходах ограничивается, предотвращая повреждение регистратора при значительных уровнях входных сигналов.

Таким образом, на вход беспроводного передатчика данных 9 (Фиг. 1) от регистратора 7 будут непрерывно поступать две группы сигналов, пропорциональные частотам следования импульсов от формирователей 4 и 5. Третий сигнал на входе передатчика 9 возникнет от сигнализатора КЗ 8 при превышении установленного порогового напряжения. Сигнализатор настроен на фиксацию сильных электрических и магнитных полей, возникающих при перекрытии электрической дугой изолирующей конструкции на землю.

В отличие от аналогичных датчиков, измеряющих, как правило, величину тока утечки, в предложенном устройстве формируется сигнал пропорциональный частоте следования импульсов, что упрощает схемотехнику (не требуется оцифровка сигнала), снижает энергопотребление и повышает помехозащищенность.

Осуществление устройства возможно на основе схемы (Фиг. 1), работающей следующим образом. Выпрямитель, представляющий собой диодный мост, выпрямляет переменный ток. Этот ток заряжает конденсатор С1. По мере зарядки С1 напряжение на нем возрастает. Первый формирователь импульсов 4, включающий последовательно соединенные электронный ключ (например, динистор), и ограничитель напряжения на диоде или стабилитроне, не пропускает ток до тех пор, пока напряжение на его выводах не достигнет определенного значения. Как только напряжение достигнет нужного значения, ключ открывается и заряд с конденсатора С1 разряжается через ограничитель напряжения, на котором формируется импульс длительностью, зависящей от выбранного сопротивления R2. После снижения напряжения на ключе ниже напряжения закрытия, конденсатор С1 начинает снова заряжаться и цикл повторяется, генерируя на выходе формирователя 4 последовательность импульсов. При отсутствии электрических разрядов на изоляции на вход регистратора импульсов будут поступать только импульсы с первого формирователя 4, поскольку из-за падения напряжения на электрическом вентиле 6 электронный ключ второго формирователя импульсов 5 всегда будет закрыт.При определенной величине импульсов частичных разрядов, благодаря малой емкости конденсатора С2, напряжение на электронном ключе второго формирователя может превысить напряжение на ключе первого и тогда он откроется первым и накопительный конденсатор С1 будет разряжаться через аналогичный первому второй формирователь 5, на выходе которого будут формироваться импульсы от частичных разрядов. Порог и частота появления импульсов на выходе второго формирователя будет определяться постоянной времени цепи, включающей конденсатор С2 и второй формирователь 5, образующих вместе высокочастотный фильтр. Импульсы с формирователей поступают на двухканальный регистратор 7, выполненный, например, на микроконтроллере, где производится подсчет числа импульсов в единицу времени от каждого формирователя и выработка сигналов, пропорциональных этому числу. Сформированные регистратором 7 две последовательности чисел поступают на беспроводной передатчик данных 9, куда также при появлении короткого замыкания поступает сигнал от сигнализатора КЗ 8.

Примером, показывающим возможность осуществления изобретения, является работа образцов датчика в составе системы контроля состояния изолирующих конструкций на действующей высоковольтной линии 110 кВ «Абдрахманово-Узловая» филиала ОАО «Сетевая компания» Альметьевские электрические сети. На фотографии (Фиг. 2) приведено изображение датчика, изготовленного по описанной выше схеме (Фиг. 1). Датчики устанавливаются на оконцевателях изоляторов или прикрепляются вблизи их на траверсах опор. Сигналы с датчиков собираются концентратором и далее передаются через сеть сотовой связи, например, на смартфон начальника службы линий, где отображаются в виде непрерывных графиков.

Заявленное техническое решение соответствует требованиям промышленной применимости и может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий, и прошло апробацию на объекте филиала ОАО «Сетевая компания» Альметьевские электрические сети.

Датчик для системы непрерывного контроля состояния изолирующих конструкций, включающий входной узел с двумя электродами, выпрямитель, вход которого соединен с электродами, а выход через резистор - с накопительным конденсатором, отличающийся тем, что устройство содержит первый формирователь импульсов с электронным ключом и ограничителем напряжения, соединенный с накопительным конденсатором, второй формирователь импульсов с электронным ключом и ограничителем напряжения, соединенный с накопительным конденсатором через электрический вентиль и с выходом выпрямителя через второй конденсатор, двухканальный регистратор частоты следования импульсов, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго формирователей импульсов соответственно, сигнализатор короткого замыкания, беспроводной передатчик данных, соединенный с выходами регистратора частоты следования импульсов и сигнализатора короткого замыкания, при этом передатчик передает сигналы, пропорциональные частоте импульсов в каждом канале, а также сигнал короткого замыкания при превышении уровня напряжения от сигнализатора на входе выше установленного порога.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в электроустановках, на электрических станциях и подстанциях, электрических сетях и сетях связи для определения состояния изоляции и прогнозирования ресурса изоляции.

Автономное устройство для определения места повреждения кабеля // 2730384

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения мест повреждения в кабельных линиях электропередачи и связи. Автономное устройство для определения места повреждения кабеля содержит импульсный измеритель, радиотелефон, блок дистанционного управления, оборудованный кнопками дистанционного управления «Старт», «Стоп», «Затвор», «Вперед», «Назад», «Влево», «Вправо», источник радиоактивного излучения, установленный в центре свинцового контейнера в расположенном по его оси симметрии вертикальном канале, при этом в нижней части свинцового контейнера установлен затворный механизм, состоящий из свинцовой крышки, по центру которой выполнен вертикальный узконаправленный выходной канал, расположенный на одной оси с вертикальным каналом свинцового контейнера, и установленного внутри свинцовой крышки свинцового затвора с вертикальным проходным каналом, смещенным влево относительно оси симметрии свинцового контейнера, при этом свинцовый затвор прижат к нижней части свинцового контейнера прижимными пружинами с шариками и имеющего возможность плавно перемещаться вдоль нее до полного совмещения вертикального проходного канала свинцового затвора с вертикальным каналом свинцового контейнера и вертикальным узконаправленным выходным каналом свинцовой крышки по оси симметрии свинцового контейнера, при этом свинцовый затвор своей правой торцевой частью упруго связан со свинцовой крышкой распорной пружиной, к левой внутренней стороне свинцовой крышки жестко прикреплен выталкивающий электромагнит, состоящий из радиационностойкой обмотки и стального стержня-якоря, жестко прикрепленного к левой стороне свинцового затвора, а в нижней правой части свинцовой крышки установлен упор, расстояние от которого до оси симметрии вертикального канала свинцового контейнера выполнено равным расстоянию от оси симметрии вертикального проходного канала до правого края свинцового затвора, при этом свинцовый контейнер выполнен с зацепами и установлен на управляемом посредством блока дистанционного управления шасси, содержащем несущую раму, ведущие колеса, рулевые колеса, блок рулевого управления, электропривод ведущих колес, два домкрата и удерживающую раму, выполненную с симметрично расположенными боковыми выступами, внутри которых нарезана внутренняя резьба, и с возможностью вертикального перемещения посредством двух домкратов, при этом свинцовый контейнер жестко закреплен в удерживающей раме посредством зацепов, а на его наружной стороне закреплен блок автономного управления, содержащий аккумуляторную батарею, красную сигнальную лампу, зеленую сигнальную лампу и электронный блок, при этом на упоре со стороны свинцового затвора установлен сигнальный концевой микровыключатель, в нижней наружной части свинцовой крышки установлен нижний концевой выключатель, в нижней внутренней части свинцовой крышки слева от вертикального узконаправленного выходного канала свинцовой крышки установлен сигнальный промежуточный микровыключатель, расстояние от правого края которого до левого края вертикального канала свинцового контейнера выполнено равным расстоянию от левого края свинцового затвора до правого края вертикального проходного канала, а каждый домкрат содержит электродвигатель, вал домкрата с внешней подъемной резьбой, два концевых выключателя крайнего верхнего и два концевых выключателя крайнего нижнего положений удерживающей рамы, при этом вал каждого электродвигателя связан с валом соответствующего домкрата посредством червячной передачи, состоящей из червяка, нарезанного на валу электродвигателя, и червячного колеса, жестко закрепленного на валу домкрата, опирающегося на радиально-упорные подшипники, а удерживающая рама связана с валом каждого домкрата посредством внутренней резьбы, нарезанной в ее боковых выступах, и внешней подъемной резьбы, нарезанной на валу каждого домкрата, при этом в нижней части несущей рамы на равном расстоянии от рулевых колес установлена рамочная антенна, ось которой перпендикулярна поверхности земли, а блок рулевого управления содержит электродвигатель, на валу которого жестко закреплена ведущая шестерня реечной передачи, при этом рулевые колеса соединены между собой рулевой рейкой, связанной со ступицами рулевых колес посредством шарниров, в центральной верхней части которой жестко закреплена зубчатая рейка реечной передачи, а в ее центральной нижней части жестко закреплен потенциометр обратной связи, при этом блок автономного управления содержит элемент выдержки времени и сравнивающий блок, имеющий первый вход, соединенный с выходом рамочной антенны, и второй вход, соединенный с движком потенциометра обратной связи, а в корпусе реечной передачи установлены правый и левый концевые выключатели.

Способ дистанционной защиты и устройство для его осуществления // 2729197

Использование: в области электроэнергетики для защиты электрических сетей. Технический результат - повышение точности дистанционной защиты.

Способ оценки технического состояния кабельной линии // 2729173

Использование: для оценки технического состояния кабельных линий. Сущность изобретения заключается в том, что способ оценки технического состояния кабельных линий включает подачу испытательного электрического сигнала от задающего генератора и регистрацию переходной характеристики, автоматическое измерение емкости, тангенса угла диэлектрических потерь, добротности и сопротивления на различных частотах и определение технического состояния на основе интегрального критерия, сформированного искусственной нейронной сетью из совокупности диагностических параметров, при этом дополнительно производят автоматическое измерение избыточной температуры, учитывают показатель срока и условия эксплуатации и показатель безопасности, который определяется главным образом материалом и конструкцией кабельных линий, а далее по совокупности интегрального диагностического параметра с учетом показателя срока и условия эксплуатации и показателя безопасности производят оценку технического состояния кабельной линии.

Устройство для контроля дефектности изоляции провода // 2726729

Изобретение относится к технике электрических испытаний и может быть использовано для контроля качества изоляции проводов. Сущность: в устройство контроля дефектности изоляции обмоточных проводов содержит датчик - электрод, источник высокого напряжения, формирователь импульсов дефектов, состоящий из источника опорного напряжения формирователя переднего и заднего фронтов и дифференциального усилителя, счетчик дефектов, датчик скорости, формирователь импульсов скорости, счётчик импульсов скорости, ключевое устройство, счетчик протяженности дефектов с регулируемым коэффициентом пересчета, триггер, светодиод и фотодиод, два металлических коромысла, две пружины, два скользящих контакта, два вывода для подсоединения источника питания, две направляющие втулки, диск с равномерно выполненными в нем сквозными радиальными прорезями.

Устройство автоматизации поста секционирования контактной сети переменного тока на разъединителях // 2725823

Изобретение относится к средствам автоматизации электроснабжения поста секционирования контактной сети переменного тока. В устройство автоматизации поста секционирования двухпутного участка контактной сети переменного тока на управляемых разъединителях на два направления с первым трансформатором напряжения в шине поста секционирования введены на каждом присоединении питающих линий контактной сети по трансформатору тока и в шину поста секционирования второй трансформатор напряжения и вакуумный выключатель с трансформатором тока, оборудованный блоком защиты и автоматики, подключенным ко вторичным обмоткам трансформаторов напряжения и тока и включающим две логические схемы, при этом каждая логическая схема выполнена в виде двух измерительных органов защиты, измерительного органа автоматики, двух измерительных органов направления мощности, элемента RS-триггера, измерительного органа поиска короткого замыкания, измерительного органа контроля короткого замыкания, двух схем сравнения, элемента повторителя положения, трех элементов задержки, двух двухвходовых элементов ЗАПРЕТ, двухвходового и двух трехвходовых элементов И, трех двухвходовых и трехвходового элементов ИЛИ и трех исполнительных элементов.

Устройство для определения места повреждения кабеля // 2725168

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения мест повреждения на кабельных линиях электропередачи и связи. Устройство для определения места повреждения кабеля содержит импульсный измеритель, радиотелефон, источник радиоактивного излучения, установленный в центре свинцового контейнера в расположенном по его оси симметрии вертикальном канале.

Устройство для определения места повреждения линии электропередачи // 2724352

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для определения места повреждения в электрических сетях 6-750 кВ. Техническим результатом является повышение надежности устройства и расширение области его применения.

Технологии защиты от зональных повреждений распределительных систем постоянного тока // 2724126

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и быстродействия обнаружения повреждений распределительных систем постоянного тока.