ДАТЧИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Данное изобретение относится к датчику частичных разрядов для устройства оперативного контроля высоковольтной изоляции, в частности (но не только) для измерения частичных разрядов в обмотках статоров крупногабаритных электрических генераторов энергетической установки.

Уровень техники

Частичные разряды (ЧР) представляют собой локально возникающие электрические разряды, которые частично закорачивают изоляцию между проводниками, в частности, используемыми в генерировании высоковольтной электроэнергии.

Они являются результатом дефектов изоляции, когда электрическое поле локально превышает электрическую прочность изоляции. Такие частичные разряды могут даже привести к дальнейшему снижению качества изоляции между проводниками и вообще к пробою.

Поэтому оперативный контроль частичных разрядов в высоковольтных системах необходим для предотвращения неправильного функционирования и повреждений в цепи генерирования энергии. Кроме того, это полезный инструмент планирования отключений и технического обслуживания оборудования или замен.

Измерение частичных разрядов в промышленности надлежащим образом описано в стандарте EN/IEC 60270 под названием “High voltage Test Techniques - Partial Discharge measurements” («Технологии высоковольтных испытаний - Измерения частичных разрядов») (2000). Этот стандарт описывает проектирование и калибровку электрических схем, применяемых для определения частичных разрядов.

Важно отметить, что перед измерением частичных разрядов надо откалибровать измерительную систему, чтобы достичь необходимой точности. Калибровку обычно проводят путем введения импульсов в систему и обнаружения отклика измерительного устройства.

Классические калибровочные устройства можно использовать только в автономном режиме, при остановленном генераторе, потому что известные устройства не являются стойкими к высоким напряжениям.

Вместе с тем рабочие условия в режиме эксплуатации и в автономном режиме коренным образом отличаются друг от друга, что влияет на точность калибровки. Фактически, во время работы главный выключатель, соединяющий генератор с сетью, замкнут, и поэтому электрическая линия оказывается гораздо длиннее. Это обуславливает увеличенную емкость линии и изменяет характеристики передачи импульсов.

Таким образом, желательно иметь возможность калибровки устройства оперативного контроля высоковольтной изоляции во время нормальной работы генератора.

В документе EP 2071342 описано портативное калибровочное устройство, которое можно было бы использовать во время нормальной работы, когда подача питания достигается посредством аккумуляторной батареи, а дистанционное управление осуществляется через оптический интерфейс.

Вместе с тем высоковольтную геометрию цепи силового возбуждения изменяет именно дополнительное устройство, а из-за батарейного питания вводимые импульсы довольно малы и время работы ограничено.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично преодолеть вышеупомянутые недостатки, в частности предложить устройство, которое обеспечивает калибровку в режиме эксплуатации даже во время оперативного контроля высоковольтной изоляции.

Краткое изложение существа изобретения

В одном аспекте изобретения предложен датчик, включающий в себя устройство оперативного контроля, которое можно калибровать также тогда, когда генератор соединен с сетью.

Этот и дополнительные аспекты воплощаются путем обеспечения датчика частичных разрядов, соответствующего прилагаемой формуле изобретения.

Датчик может иметь один или несколько из следующих признаков, которые - по выбору - можно задавать по отдельности или в совокупности:

конденсатор связи и калибровочный (эталонный) конденсатор, воплощенные в виде одного сдвоенного конденсатора;

конденсатор связи и калибровочный конденсатор, воплощенные в виде двух отдельных конденсаторов;

измерительная схема, которая содержит линию передачи сигналов и источник электропитания для работы измерительного контура, а питание калибровочной (эталонной) схемы подается по линии передачи сигналов;

может быть предусмотрена схема питания с преобразователем, соединяемая с измерительным устройством и подключенная к низковольтному электроду измерительного конденсатора, для питания калибровочной схемы необходимым напряжением питания;

калибровочная схема содержит линию синхронизации генератора импульсов, подсоединенную между емкостью связи и калибровочной схемой;

калибровочная схема включает в себя две ветви, соединенные параллельно: первую ветвь, соединенную на одной стороне с «землей», а на другой стороне - с переключающим блоком, и вторую ветвь, содержащую параллельно соединенные конденсатор и генератор сигналов, причем один конец второй ветви соединен с «землей», а другой конец также соединен с переключающим блоком, при этом переключающий блок соединен с калибровочным конденсатором;

переключающий блок имеет два положения: первое положение, обеспечивающее соединение калибровочной емкости с первой ветвью, и второе положение, обеспечивающее соединение калибровочной емкости со второй ветвью;

канал последовательной связи, соединяемый с измерительным устройством, для регулирования высоты и последовательности импульсов и/или управления переключающим блоком 57.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлено схематическое изображение высоковольтной цепи генерирования энергии, оснащенной датчиком частичных разрядов и анализатором частичных разрядов;

на Фиг.2 представлено схематическое изображение датчика частичных разрядов в соответствии с первым вариантом осуществления;

на Фиг.3 представлено схематическое изображение датчика частичных разрядов в соответствии со вторым вариантом осуществления;

на Фиг. 4A и 4B представлено схематическое изображение сдвоенного конденсатора датчика частичных разрядов в соответствии с первым вариантом осуществления;

на Фиг.5 представлено схематическое изображение датчика частичных разрядов в соответствии с третьим вариантом осуществления;

на Фиг.6A и 6B представлено схематическое изображение сдвоенного конденсатора датчика частичных разрядов в соответствии со вторым вариантом осуществления,

на Фиг.7 представлено схематическое изображение датчика частичных разрядов в соответствии с четвертым вариантом осуществления; и

на Фиг.8 представлено схематическое изображение датчика частичных разрядов в соответствии с пятым вариантом осуществления.

Подробное описание изобретения

Идентичные элементы имеют одни и те же условные обозначения на всех чертежах.

На Фиг.1 представлено схематическое изображение высоковольтной цепи 1 генерирования энергии, содержащей генератор 3, имеющий несколько фаз, но представлены лишь одна выходная фаза и соответствующий высоковольтный шинопровод 5.

Привод генератора 3 могут осуществлять непредставленные турбины или двигатели, питаемые посредством доступного источника энергии или доступной совокупности источников энергии (угля, топлива, газа, ядерной энергии, водяного пара, воды и т.д.). Генератор может быть синхронным генератором и генерирует, как правило, напряжение переменного тока на частоте 50-60 Гц, превышающее 5 кВ.

Шинопровод 5 соединен с переключающим блоком 7, который обеспечивает развязку генератора 3 от последующих элементов, например от повышающего трансформатора 9, а в конечном счете - от сети.

Датчик 11 частичных разрядов соединен с шинопроводом 5, а выход датчика 11 соединен с оборудованием 13, анализирующим частичные разряды. И датчик 11 частичных разрядов, и оборудование 13, анализирующее частичные разряды, являются частью устройства оперативного контроля высоковольтной изоляции. Его назначением является оперативный контроль частичных разрядов, в частности в обмотке статора генератора. Такой оперативный контроль обеспечивает предотвращение неправильного функционирования из-за дефектов изоляции, которые могут возникать во время эксплуатации.

Во время нормальной работы генератора 3 и когда генератор 3 соединен с сетью, шинопровод 5 представляет собой высоковольтную линию.

На Фиг.2 датчик 11 частичных разрядов показан подробнее.

В частности, датчик частичных разрядов содержит корпус 15, в котором на одной стороне размещена измерительная схема 17 для измерения частичных разрядов в тестируемой высоковольтной системе, то есть, генераторе 3, и конденсатор 19 связи, имеющий один электрод, соединенный с измерительной схемой 17, а другой электрод - с первым высоковольтным проводником 21, соединяемым с высоковольтной линией - шинопроводом 5 - тестируемой системы.

Датчик 11 дополнительно содержит в корпусе 15 калибровочную схему 23 и калибровочный конденсатор 25, имеющий один электрод, соединенный с калибровочной схемой 23, и другой электрод, соединенный со вторым высоковольтным проводником 27, соединенным с высоковольтной линией - шинопроводом 5.

В качестве некоторых рекомендаций по реализации схемы, отметим, что калибровочный конденсатор 25 имеет емкость примерно 20 пФ, а конденсатор 19 связи имеет емкость 100 пФ.

Говоря подробнее, измерительная схема 17 содержит резистор R_HP верхних частот, например, сопротивлением 100 кОм, соединенный на одной стороне с конденсатором 19 связи, а на другой стороне - с «землей», и полосовой фильтр ПФ, имеющий полосу пропускания, например, от 20 кГц до 10 МГц, и соединенный на одной стороне с конденсатором 19 связи, а на другой стороне - с усилителем 31. Выходной сигнал усилителя 31 представляет собой сигнал напряжения, который посылается по сигнальной линии 33 в оборудование 13, анализирующее частичные разряды. Верхняя частота составляет, например, f₀ = 16 кГц.

Калибровочная схема 23 выполнена с возможностью посылать калибровочные импульсы определенной формы, соответствующие предварительно определенному разряду, и подключена к высоковольтной системе через калибровочную емкость 25.

Когда электронные схемы 23 и 17 не находятся под высоким напряжением, подача питания реализуется по сигнальной линии 33.

Таким образом, данное решение обеспечивает калибровку устройства оперативного контроля высоковольтной изоляции во время эксплуатации. Поскольку калибровочная схема 23, а также связанный с ней конденсатор 25 связи встроены в один и тот же корпус 15 датчика 11 частичных разрядов, который сам по себе можно предвидеть в установке, нет необходимости пересматривать высоковольтную геометрию цепи возбуждения энергии. Кроме того, поскольку подача питания для калибровочной схемы 23 достигается по линии 33 передачи сигналов, существует значительно меньше ограничений, касающихся калибровочных зарядов, вводимых в высоковольтную систему.

На Фиг.3 показан второй вариант осуществления датчика 11 частичных разрядов, отличающегося от варианта осуществления согласно Фиг.2 только тем, что второй высоковольтный проводник 27 соединен внутри корпуса 15 с первым высоковольтным проводником 21. Следовательно, существует лишь один высоковольтный проводник 21, который должен быть соединен с высоковольтной линией - шинопроводом 5, а это означает, что установка датчика 11 частичных разрядов является такой же, как в случае тех, которые уже используются.

Как можно заметить на Фиг.2 и 3, конденсатор 19 связи и калибровочный конденсатор 25 - это два разных конденсатора.

Чтобы получить выигрыш в пространстве конструкции, предполагается воплощение обоих конденсаторов 19 и 25 в виде одного конструктивного блока, такого, как сдвоенный конденсаторный блок 35, показанный, например, на Фиг.4A и 4B, являющихся схематическим изображением сдвоенного конденсатора датчика частичных разрядов в соответствии с первым вариантом осуществления.

Сдвоенный конденсатор 35 содержит полый изолятор 37 цилиндрической формы, в частности - с нижней частью 37A, цилиндрическими боковыми стенками 37B и верхней стенкой 37C, которая имеет трубу 37D подсоединения. Изолятор может иметь толщину стенки 5 мм, высоту 5 см и внешний диаметр 5 см и может быть выполнен из пластмассового композиционного материала.

Также показаны высоковольтные проводники 21 и 27, которые проложены по трубе 37D подсоединения и которые соответственно соединены с высоковольтными электродами 19A конденсатора 19 связи и 25A калибровочного конденсатора 25.

Эти электроды 19A и 25A находятся на внутренней стороне полого изолятора 37. На противоположной стороне стенок 37A и 37B - на внешней стороне изолятора 37 - расположены электрод 19B конденсатора 19 связи, соединенный с измерительной схемой 17, и электрод 25B калибровочного конденсатора 25, соединенный с калибровочной схемой 23.

Говоря подробнее, основная часть электродов 19A и 19B находится на боковой стенке 37B изолятора, а меньшая - подножная - часть 19F находится на внешней периферийной части нижней стенки 37A.

Это также недвусмысленно представлено на Фиг.4В - на виде с нижнего конца сдвоенного конденсатора 35, рассматриваемого по стрелке 39, показанной на Фиг.4A.

Емкость калибровочного конденсатора 25 меньше. В данном случае оба электрода 25A и 25B имеют форму диска и находятся у нижней стенки 37A изолятора 37 цилиндрической формы.

Емкость измерительного конденсатора 19 в типичном случае составляет 100 пФ, а емкость калибровочного конденсатора - 20 пФ.

Легко понять, что эта конструкция сдвоенного конденсатора не нуждается в большем пространстве или, по меньшей мере, не нуждается в значительно большем пространстве, чем классически применяемые конденсаторы связи датчиков частичного разряда.

Конфигурация согласно Фиг.4A и 4B полезна, например, для варианта осуществления согласно Фиг.2. Для варианта осуществления согласно Фиг.3, высоковольтные проводники 21 и 27 могут быть соединены друг с другом в пределах объема полости изолятора 37, чтобы только один высоковольтный проводник проходил по трубе 37D подсоединения, соединяясь с высоковольтной линией - шинопроводом 5.

На Фиг.5 показано схематическое изображение датчика 11 частичных разрядов в соответствии с третьим вариантом осуществления.

Этот вариант осуществления отличается от того, который показан на Фиг.3, тем, что на высоковольтной стороне конденсатор 19 связи и калибровочный конденсатор 25 имеют общий электрод 41.

Этот вариант осуществления можно воплотить, немного модифицировав сдвоенный конденсатор 35, показанный на Фиг.4A.

Такой модифицированный сдвоенный конденсатор 35 показан на Фиг.6A и 6B, где представлено схематическое изображение сдвоенного конденсатора датчика частичных разрядов в соответствии со вторым вариантом осуществления.

Сдвоенный конденсатор 35 на Фиг.6A отличается от сдвоенного конденсатора, показанного на Фиг.4A, лишь тем, что имеется всего один общий высоковольтный проводник 43 взамен проводников 21 и 27 и что высоковольтные электроды 19A и 25A на внутренней стороне изолятора 37 состыкованы, образуя общий высоковольтный электрод 41.

Даже при наличии общего электрода 41 поверхности электродов 19B и 25B выбирают таким образом, что емкость измерительного конденсатора 19 в типичном случае составляет 100 пФ, а емкость калибровочного конденсатора - 20 пФ.

Этой конструкции еще проще достичь, и она обеспечивает весьма высококачественные калибровки и измерения частичных разрядов в режиме эксплуатации.

На Фиг.7 подробнее изображен пример калибровочной схемы 23 с ее калибровочным конденсатором 25.

Схема 23 содержит генератор импульсов с двумя ветвями 53, 55, соединенными параллельно, причем первая ветвь 53, соединена на одной стороне с «землей», а на другой стороне - с переключающим блоком 57, и вторая ветвь 55 содержит параллельно соединенные конденсатор 59, имеющий емкость примерно 1 нФ, и генератор 61 сигналов, причем один конец второй ветви 55 соединен с «землей», а другой конец также соединен с переключающим блоком 57. Переключающий блок 57 соединен через омическое сопротивление 63 величиной примерно 100 Ом с электродом 25B калибровочного конденсатора 25. Генератор 61 сигналов может генерировать ступенчатые сигналы или линейно изменяющиеся сигналы от 1 до 200 В.

Линия 65 синхронизации соединена на одной стороне с измерительной схемой 17 - с электродом 19B емкости 19 связи, а на другой стороне, после фильтра 67 нижних частот (для такой частоты сети, как, например, 50 или 60 Гц), с выходом внешнего сигнала синхронизации - генератором 61 сигналов и переключающим блоком 57.

Этот сигнал синхронизации обеспечивает координирование введений импульсов калибровочной схемы 23, например, таким образом, что переключающий блок 57 переключается от 10 до 100 раз за период напряжения переменного тока, вырабатываемого генератором 3.

Переключающий блок 57 имеет два положения - первое положение, обеспечивающее соединение калибровочной емкости 25 с первой ветвью 53, и второе положение, обеспечивающее соединение калибровочной емкости 25 со второй ветвью 55.

Схема работает таким образом, что конденсатор 59 заряжается до определенного напряжения, например 100 В, посредством генератора 61 напряжения. Посредством переключающего блока 57, когда тот находится во втором положении, осуществляется генерирование импульса и введение его в высоковольтную систему. Вводимый заряд можно вычислить исходя из емкости конденсатора 59 и приложенного напряжения. Например, если к конденсатору 59, имеющему емкость 10 пФ, прикладывают 100 В, это приводит к заряду посредством вводимого импульса, составляющему 1 нКл.

На Фиг.7 показано, что подача питания достигается посредством линии передачи сигналов. Обращаясь теперь к Фиг.8, отмечаем, что здесь показан дополнительный - пятый - вариант осуществления с автономной подачей питания.

Вариант осуществления согласно Фиг.8 отличается от варианта осуществления, показанного на Фиг.7, тем, что усилитель 31 имеет дифференциальный выход и что линия передачи сигналов содержит витую пару, которая, во-первых, дешевле, чем известные коаксиальные кабели, когда необходимы кабели с несколькими парами, как в этом варианте осуществления, и которая, во-вторых, лучше сбалансирована в ее электрических характеристиках. Помимо этого после фильтра 67 нижних частот в линии 65 синхронизации установлены интегратор 75 и усилитель 77 с дифференциальным выходом, обеспечивая также использование второй витой пары для выхода синхронизации датчика 11 частичных разрядов.

Кроме того, внутри датчика 11 предполагается наличие микропроцессора, которым можно управлять посредством последовательного канала связи, например CAN-шины, для регулирования высоты и последовательности импульсов. Микропроцессор можно также использовать для управления переключающим блоком 57. Из соображений ясности чертежа линии управления не представлены.

Помимо этого датчик 11 частичных разрядов содержит схему 81 питания с преобразователем, подключенную к низковольтному электроду 19В измерительного конденсатора 19, для питания калибровочной схемы необходимым напряжением питания.

Схема питания с преобразователем имеет, например, две ветви, соответственно - с диодом и конденсатором, для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, и преобразователь постоянного тока в постоянный для получения рабочего напряжения ±5 В. Для ясности чертежа линии подачи питания не представлены.

Благодаря данному изобретению калибровки датчика ЧР можно проводить в режиме эксплуатации, а предлагаемое оборудование умещается в монтажное пространство уже существующих датчиков ЧР. Следовательно, установка датчика ЧР в соответствии с изобретением не требует переработки высоковольтной геометрии применительно к высоковольтной цепи генерирования энергии.

Кроме того, уменьшается объем технического обслуживания, поскольку предлагаемый датчик не нуждается в батарейном источнике питания.