Разработка устройства и метода диагностики силового электроэнергетического оборудования

Развитие электроэнергетики связано с созданием и внедрением автоматизированных систем управления технологическими процессами, систем комплексных испытаний, оперативного измерения и контроля параметров энергообъектов, электротехнических устройств и оборудования [1, с. 13–25, 2, с. 47–58]. Такие объекты контроля и испытаний в электроэнергетике, как энергоблоки электростанций, силовые подстанции являются объектами повышенной сложности с большим числом измеряемых и контролируемых параметров [3, с. 309].

Основная проблема в этом классе задач, как отмечается в [4, с. 69–78] состоит в обеспечении необходимого быстродействия измерительных процедур, обусловленного требованиями к оперативности контроля и испытания.

Индуктивные преобразователи и преобразователи сопротивлений относятся к числу наиболее широко применяемых в информационно-измерительной технике при построении информационно-измерительных систем диагностики силового электроэнергетического оборудования [5, с. 170–175].

Так, например:

        — с измерением индуктивности трансформаторов связаны добавочные потери в элементах конструкции трансформатора, что уменьшает его полезную мощность, к.п.д. и напряжения на вторичных обмотках и обуславливает потребление реактивной мощности [6, с. 39–41];

        — а с измерением активного сопротивления связаны выявления таких дефектов как: разрушение высоковольтных вводов (22 %), повреждение обмоток (16 %), повреждения регуляторов под нагрузкой (РПН) (13 %) и др [7, с. 31–32].

Маркетинговый анализ показал, что для реализации современных методов испытаний используются различные цифровые измерительные устройства, порой с идентичными характеристиками [5, с. 170–175]. Однако, предлагаемые рынком технические решения обладают рядом существенных недостатков, основным из которых является высокая длительность измерения, которая согласно рекомендациям по методам испытания лежит в пределах от 60 до 1000 секунд, пока прибор не примет стабильное значение. Это связанно с тем, что во всех технических решениях предлагаемых отечественным и зарубежными рынками, измерения ПЭЦ осуществляется по окончанию переходного процесса.

С целью устранения указанных недостатков, предложен новый метод измерения параметров электрических цепей (ПЭЦ) на примере понижающих подстанции 10/35/110 кВ, основанный на измерении мгновенных значений параметров переходных процессов, возникающих при подключении к измерительной цепи постоянного тока [8, с. 173–175, 9, с. 182–183]. Основные схемы замещения измерительных цепей (ИЦ) и модели выходных сигналов, которые могут быть использованы для определения ПЭЦ по мгновенным значениям переходных процессов представлены в [5, с. 170–175]. Где видно, что в общем случае рассматриваемый процесс имеет три параметра:

        — напряжение U0,

        — текущее время t, так как процесс не периодический.

Используя, данные подходы нами было предложено два новых алгоритма измерения индуктивности и активного сопротивления, основанные на алгоритмах численного дифференцирования второго порядка [10, с. 179–182].

Сущность предлагаемого метода заключается в том, что на последовательную индуктивно-активную цепь, один из элементов которой известен, подают напряжение постоянного тока; в произвольный момент времени измеряют первое мгновенное значение напряжения на средней точке измерительной цепи; через образцовый интервал времени с момента первого измерения измеряют второе мгновенное значение напряжения на средней точке цепи; через такой же интервал времени с момента второго измерения измеряют третье мгновенное значение напряжения на средней точке цепи и определяют неизвестный элемент цепи по измеренным значениям. Принцип работы устройства и один из вариантов его технического воплощения представлен в [11, с. 10–12, 12, с 1.].

(1)

(2)

В процессе проведения исследований предложена обобщенная функциональная схема информационно-измерительной системы контроля электрических параметров трансформаторной подстанции 10/35/110 кВ (рисунок 1).

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема информационно-измерительной системы контроля электрических параметров трансформаторной подстанции 10/35/110 кВ

Функциональная схема измерительно-вычислительного устройства содержит источник напряжения постоянного тока ИН1 или источник опорного напряжения с известным и стабильным значением выходного напряжения ИОН, аналоговый ключ АК1, измерительную цепь ИЦ1, аналоговый переключатель ПЕР, аналого-цифровой преобразователь АЦП и контроллер КНТ либо другое вычислительное средство с шиной данных ШД и шиной управления ШУ.

КНТ поочередно по (Шине Управления) подает сигнал управления на КЛ 1 и КЛ 2, после чего они замыкаются, и напряжение U0 подается на измерительные цепи ИЦ 1 или ИЦ 2.

В момент времени t КНТ запускает АЦП 1. Мгновенное значение сигнала U1на его входе, преобразуется в код и поступает в КНТ.

В контроллере производятся расчет контролируемого параметра (индуктивности или сопротивления), согласно предлагаемым алгоритмам.

При использовании устройства для измерения ПЭЦ нескольких объектов (например, датчиков) в систему добавляются идентичные измерительные каналы.

С целью уменьшения погрешности квантования, на выходе АЦП установлены дополнительные фильтры, так как в алгоритмах используется операция дифференцирования [10, с. 179–182].

Моделирование системы показало, что при измерении индуктивности и сопротивления, погрешность не превышает ±0,18 % [13, с. 60–61]. Практически система может быть реализована через [14, с. 1].

Таким образом, основными достоинствами предлагаемой системы являются:

        — сокращение времени измерений — за счет осуществления измерений контролируемых параметров еще до окончания переходного процесса по первым трем отсчетам (т. е. метод основан на экстраполяции контролируемой величины к установившемуся значению);

        —возможность осуществлять обработку измерительной информации в цифровом виде и в реальном масштабе времени (за счет использования алгоритмов численного дифференцирования по Ньютону, где используются только наступившие отсчеты);

        — а также повышение точности измерений, за счет того, что отсчеты производятся в произвольный момент времени (т. е. момент подачи скачка напряжения не связан с моментов времени взятия отсчетов), поэтому в предлагаемых алгоритмах устраняется погрешность, вызванная смещением нуля.

Литература:

1.                Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: учебное пособие / А. Ф. Шаталов, И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко, И. К. Шарипов, С. В. Аникуев. Ставрополь: АГРУС, 2014. 64 с.
2.                Моделирование в электроэнергетике: учебное пособие / А. Ф. Шаталов, И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко, И. К. Шарипов, С. В. Аникуев. Ставрополь: АГРУС, 2014. 140 с.
3.                Обзор и анализ существующих методов схемотехнической защиты от импульсных напряжений в электрических сетях / В. Я. Хорольский, А. Б. Ершов, В. Н. Шемякин, И. К. Шарипов // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов. Ставрополь, 2009. С. 308–311.
4.                Введение в специальность: учебное пособие / М. А. Мастепаненко, И. К. Шарипов, И. Н. Воротников, Габриелян Ш. Ж., А. В. Ивашина, С. В. Аникуев, В. Н. Шемякин. — Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2015. 113 с.
5.                Математические модели и методы обработки измерительных сигналов емкостных преобразователей на постоянном токе: монография / М. А. Мастепаненко, И. Н. Воротников, С. В. Аникуев, И. К. Шарипов. — Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. Аграрного ун-та, 2015. 232с.
6.                Габриелян Ш. Ж., Папанцева Е.И., Минаев И. Г. Расчет первичных и волновых параметров высоковольтных кабелей с использованием программы CABEL//Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов. -Ставрополь: АГРУС, 2010. -С. 37–42.
7.                Вострухин А. В., Вахтина Е. А., Габриелян Ш. Ж. Устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки асинхронного двигателя по ЭДС самоиндукции // Методы и средства повышения эффективности технологических процессов в АПК: сб.науч. статей по материалам Междун. научно-практической конф. -Ставрополь: АГРУС СтГАУ, 2013. -С. 29–33.
8.                Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Шарипов И. К.Алгоритмы оценки постоянной времени измерительной цепи с использованием цифрового дифференцирования // Молодой ученый. 2015. № 7. С. 172–176.
9.                Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Система непрерывного контроля уровня различных жидкостей на основе микроконтроллера // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. / СтГАУ. Ставрополь: АГРУС, 2011. C. 181–185.
10.            Воротников И. Н., Мастепаненко М. А., Байрамалиев С. Ш., Тарануха Д. С., Фалько К. А. Оценка влияния нелинейности функции преобразования АЦП на погрешность оценки постоянной времени при измерении электрической емкости на постоянном токе // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов по материалам 77-й научно-практической конференции Ставропольского ГАУ (г. Ставрополь, март — апрель 2013 г.) — Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. Аграрного ун-та, 2013. С. 178–184.
11.            Воротников И. Н., Мастепаненко М. А., Ивашина А. В. Вторичное измерительно-вычислительное устройство конденсаторного датчика уровня // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов по материалам 76-й научно-практической конференции СтГАУ (г. Ставрополь, 10–25 марта 2012 г.) / Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь: АГРУС, 2012. С. 9–13.
12.            Пат. 2498327 Российская Федерация, МКП G01R27/26. Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции / А. В. Вострухин, Е. А. Вахтина, Ш. Ж. Габриелян; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ». — № 20112118126/28; заявл. 03.05.2012; опубл. 10.11.2013, Бюл. № 31.
13.            Пашинцев В. П., Боровлев И.И., Иванников А. И., Несмеянов А. М. Методика оценки полосы частотной когерентности декаметрового радиоканала с учетом сферичности неоднородного отражающего слоя ионосферы//Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2003, Т. 6, ¹5, с 59–62.
14.            Пат. 2546827 Российская Федерация, МКП G01R 27/26. Микро-контроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя [Текст] / А. В. Вострухин (RU), Е. А. Вахтина (RU), Ш. Ж. Габриелян (RU), заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ставрополь-ский ГАУ» (RU). — № 2013159154/28; заявл. 30.12.2013; опубл. 10.04.2015, Бюл. № 10.