Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для диагностики состояния высоковольтных изоляторов

Изобретение относиться к области электроизмерительной техники и может быть использовано для дистанционного контроля рабочего состояния высоковольтных изоляторов на основе измерения и анализа характеристик СВЧ - мультипакторного разряда.

Известно устройство, реализующее способ бесконтактного и дистанционного контроля электропрочности гирлянд изоляторов воздушных высоковольтных линий электропередачи (см. RU 2058559 С1, 20. 04.1996), содержащее антенну метрового диапазона длин волн, первый и второй усилители, полосовой фильтр, детектор, устройство индикации, антенну с узкой диаграммой направленности гигагерцового диапазона волн, приемопередатчик, первый и второй фильтры, коррелятор, устройство обработки сигналов, индикатор и антенну, осуществляющую прием сигнала промышленной частоты. Работа этого устройства сводиться к тому, что сначала сигналом устройства индикации, прошедшим через антенну метрового диапазона, первый усилитель, полосовой фильтр и детектор, определяют опору линии электропередачи, содержащую гирлянду, потерявшую прочность. Затем формируют приемопередатчиком СВЧ-излучение в диапазоне 3-30 ГГц и через антенну с узкой диаграммой направленности облучают последовательно гирлянды изоляторов, принимают отраженный сигнал, при этом о неисправной гирлянде судят (показания индикатора) по появляющейся взаимосвязи между характеристиками СВЧ-сигналов, отраженных от гирлянды, сигналов ВЧ-излучения метрового диапазона волн и сигналов высокого напряжения промышленной частоты (антенна, принимающая сигнал промышленной частоты) приложенного к гирляндам изоляторов.

Недостатком этого известного устройства можно считать сложность процедуры, связанную с поиском гирлянды, потерявшей электропрочность и определением гирлянды, содержащей элемент, потерявший электропрочность, а также ошибку при стробировании по времени амплитуды отраженного СВЧ-сигнала от гирлянды и напряженности поля линии электропередачи промышленной частоты из-за ее изменения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, является принятое автором за прототип устройство, реализующее способ бесконтактной диагностики состояния высоковольтных полимерных изоляторов (см. RU 2483315 С1, 27.05.2013). Данное устройство включает в себя узконаправленную электромагнитную антенну, акустическую антенну, первый и второй широкополосные усилители первый и второй аналого-цифровые преобразователи, устройство обработки сигналов с блоком отображения информации и блоком памяти (персональный компьютер) и двухканальный осциллограф. Согласно описанию устройства, предварительно электромагнитную и акустическую антенны по чувствительности градуируют с учетом расстояния от источника измерения. Затем для каждого типа полимерных изоляторов контактным способом определяют предельные значения интенсивности и числа частичных разрядов, характеризующие дефектное состояние. Далее, при помощи электромагнитной и акустической антенн регистрируют электромагнитные и акустические сигналы излучения от частичных разрядов, синхронизированные с фазой высокого напряжения, накапливают их по узким фазовым интервалам в блоке памяти (персональном компьютере). После этого это фазовое распределение числа импульсов и интенсивности (заряда) сравнивают с ранее записанным распределением аналогичных сигналов для эталонного полимерного изолятора. Выделяют по определенной компьютерной программе сигналы, превышающие безопасный для нормального функционирования уровень, выявляют изоляторы с дефектами и определяют возможность их дальнейшего функционирования.

Недостатком устройства, реализующего этот способ, является сложность процедуры синхронизации одновременно электромагнитных и акустических сигналов излучения от частичных разрядов с фазой высокого напряжения при его изменении частоты и формирования фазового распределения числа и интенсивности импульсов реального заряда.

Техническим результатом данного устройства является упрощение процесса диагностики состояния высоковольтных изоляторов.

Технический результат достигается тем, что в устройство для диагностики состояния высоковольтных изоляторов, содержащее источник сигнала, приемную электромагнитную антенну, усилитель и индикатор, введены круглый волновод, передающая электромагнитная антенна, измеритель выходной мощности и амплитудный детектор, причем выход источника сигнала подключен к входу измерителя выходной мощности и через передающую электромагнитную антенну к входу круглого волновода, выход волновода через приемную электромагнитную антенну соединен с входом амплитудного детектора, выход которого подключен к входу усилителя, выход последнего соединен с входом индикатора.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что эффект мультипакторного разряда на наружной поверхности высоковольтного изолятора, помещенного в круглый волновод, с последующим уменьшением электромагнитного сигнала на выходе круглого волновода, дает возможность оценить состояние высоковольтных изоляторов.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу диагностики состояния высоковольтных изоляторов на основе мультипакторного разряда на их наружной поверхности с последующим уменьшением электромагнитного сигнала с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процесса диагностики.

На чертеже представлено предложенное устройство.

Предлагаемое устройство содержит источник сигнала 1, передающую электромагнитную антенну 2, круглый волновод с первым, закрывающим и открывающим торцом и вторым закрывающим торцом 3, приемную электромагнитную антенну 4, амплитудный детектор 5, усилитель 6, индикатор 7 и измеритель выходного мощности 8. На чертеже цифрой 9 обозначен высоковольтный изолятор.

Работа предлагаемого устройства основывается на использовании эффекта мультипакторного разряда, представляющего собой явление в радиочастотных устройствах, в которых при определенных условиях, вторичная электронная эмиссия в резонансе с переменным электрическим полем приводит к экспоненциальному размножению электронов, приводящих к повреждению (разрушению) радиочастотного устройства.

Устройство работает следующим образом. Согласно данному устройству высоковольтный изолятор 9 помешают в вакуумированный круглый волновод 3 через закрывающий и открывающий торец (являющимся одновременно входом волновода), и на его вход с выхода источника сигнала 1, в качестве которого, в данном случае, может быть использован СВЧ-генератор, с помощью передающей электромагнитной антенны 2, расположенной на наружной поверхности закрывающего и открывающего торца волновода (при закрытом положении торцов), направляют электромагнитные колебания. Приемной электромагнитной антенной 4, расположенной на наружной поверхности закрывающего торца волновода (выход волновода), улавливают прошедший через полость волновода сигнал. Предварительно при отсутствии высоковольтного изолятора в волноводе (закрытое положение торцов) проверяется прохождение электромагнитной бегущей волны через полость волновода. Одновременно с этим, в зависимости от материала (медь, нержавеющая сталь) волновода, его сечения и длины, а также типа электромагнитной волны в волноводе, устанавливается пороговый уровень мощности СВЧ, приводящей к возникновению мультипакторного разряда в электромагнитном поле волновода. После этого по волноводу пропускается СВЧ-энергия ниже порогового значения мощности, не приводящей возникновения мультипакторного разряда волновода.

В рассматриваемом случае ввод СВЧ-энергии в волновод с контролируемым изолятором приведет к тому, что на наружной поверхности изолятора, как диэлектрического материала, возникнет мультипакторный разряд, приводящий к падению прошедшего по волноводу сигнала. В результате этого, сигнал не будет поступать в приемную электромагнитную антенну. Это объясняется тем, что в данном случае, при распространении бегущей волны по волноводу, от поверхности изолятора возникает многократное отражение, приводящее к наличию градиента сверхвысокочастотного потенциала, в результате чего возникает мультипакторный разряд (десорбция газа с поверхности изолятора и формирование плазмы, поглощающей электромагнитной энергии) на поверхности контролируемого материала. Следовательно, отсутствием сигнала (минимальное значение) на входе приемной электромагнитной антенны, можно констатировать мультипакторный разряд на поверхности высоковольтного изолятора.

В рассматриваемом случае принимается, что по степени возникновения мультипакторного разряда, высоковольтный изолятор уступает круглому волноводу, т.е. при одной то же энергии в волноводе с изолятором, по разрушительным свойствам, волновод электрически должен быть прочным, чем изолятор.

Как известно высоковольтные изоляторы бывают дефектными (например, со скрытыми трещинами) и бездефектными. Как правило, дефектные изоляторы имеют пониженную электрическую прочность по сравнению с бездефектными. В силу этого отсюда можно сделать заключение о том, что при облучении (воздействии) высоковольтных изоляторов в волноводе электромагнитными волнами, мультипакторный разряд у дефектных изоляторов возникнет относительно пораньше, чем у бездефектных (при одной то же СВЧ-мощности и частоте).

Согласно работе предлагаемого устройства сначала в волновод помещают бездефектный изолятор и с выхода СВЧ-генератора электромагнитный сигнал (при одной выбранной частоте) увеличивают до тех пор, пока не возникнет на поверхности изолятора мультипакторный разряд. Параллельно с этим изменение уровня сигнала, прошедшего через изолятор, контролируется показанием индикатора 7, на вход которого, снимаемый с выхода приемной электромагнитной антенны сигнал, поступает через амплитудный детектор 5 и усилитель 6. При этом измерителем выходной мощности 8, фиксируется величина СВЧ-мощности Р_без., приводящей к мультипакторному разряду бездефектного изолятора. Далее в волновод помещают дефектный изолятор и аналогично образом определяют уровень мощности Р_деф., при которой возникает мультипакторный разряд на наружной поверхности дефектного изолятора. Следовательно, зная уровень СВЧ-мощности, при котором имеет место мультипакторный разряд на поверхности бездефектного изолятора, плавным изменением (увеличением от нулевого значения) электромагнитного выходного сигнала генератора, при расположении в волноводе дефектного изолятора, всегда можно зафиксировать на его поверхности мультипакторный разряд, возникающий не достигая выходного сигнала до мощности Р_без.. Другими словами, как уже было отмечено выше, в этом случае (дефектный изолятор) уровень мощности выходного сигнала (возникновение мультипакторного разряда) окажется меньше мощности Р_без.. Здесь следует отметить, что в зависимости от формы и размеров дефекта изоляторов, возможны разные значения выходного сигнала Р_деф. возникновения мультипакторного разряда, но не более Р_без. Поэтому согласно данному техническому решению для параметра Р_деф. можно установить среднее значение Р_деф.ср., но не более Р_без. Факт возникновения мультипакторного разряда на поверхности изоляторов во всех случаях, как уже было сказано выше, отслеживается показанием (минимальное значение сигнала по сравнению сигналом при отсутствии изолятора в волноводе) индикатора. Отсюда получаем, что если известны величины СВЧ-мощности (показания измерителя выходной мощности), приводящие к возникновению на поверхностях бездефектного и дефектного изоляторов мультипакторного разряда, то при нахождении в волноводе изолятора (неизвестного), возникновение на его поверхности мултипакторного разряда за счет плавного увеличения выходной мощности генератора от нуля до уровня, достигающего (не достигшего Р_деф.ср и более Р_деф.ср, но менее Р_без) мощности Р_деф.ср, (мультипакторный разряд дефектного изолятора) можно считать контролируемый изолятор дефектным. В случае уровня мощности (наличие мультипакторного разряда) свыше Р_деф.ср, но не достигшего до мощности - Р_без бездефектным.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении мультипакторный разряд на поверхности высоковольтного изолятора в волноводе, приводящий к ослаблению СВЧ-мощности на выходе волновода, дает возможность упростить процесс диагностики состояния изоляторов.

При реализации данного устройства геометрические размеры круглого волновода, мощность и частота СВЧ-генератора выбираются в зависимости от размеров и материала высоковольтных изоляторов.