СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ И ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КОМПЛЕКТ-НЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПОДСТАНЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

ИГ

УДК 681.518.5

DOI https://doi.org/10.38161/1996-3440-2024-2-17-30

К. В. Фролов

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ И ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПОДСТАНЦИЙ

Фролов К. В. - аспирант кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» (СамГТУ), e-mail: riksot@mail.ru

В статье рассматривается разработка и описание принципа работы информационно-измерительной системы защиты от дуговых и частичных разрядов в комплектных распределительных устройствах электрических подстанций. Получение данных информационно-измерительной системой осуществляется на основе акустического метода с последующим анализом и принятием решения об отключении цепей питания при обнаружении предаварийного состояния электрооборудования. Приведены структурная схема информационно-измерительной системы и принципиальная схема акустического датчика. Определены критерии, характеризующие техническое состояние КРУ. Предложен способ защиты от дуговых и частичных разрядов путем регистрации и обработки акустического сигнала.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, акустический метод, коэффициенты распределения спектральной плотности, защита от дуговых и частичных разрядов, комплектное распределительное устройство.

Введение

Для мониторинга состояния высоковольтного оборудования, расположенного в ячейках комплектных распределительных устройств (КРУ), применяются различные системы диагностики, основанные на контактных методах, требующих присутствия оперативного обслуживающего персонала [1,2]. В тоже время современные принципы построения диагностических систем устанавливают необходимость применения телеметрических методов непрерывного мониторинга, которые позволяют выявлять возникновение дефектов на ранних стадиях, предотвращая аварийные ситуации на подстанциях, а также сокращать финансовые затраты предприятий [3-7]. В связи с этим, построение

© Фролов К. В., 2024

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

систем, способных автоматически проводить измерения, анализ и передачу данных, является актуальной задачей, требующей решения.

В настоящей работе предлагается применение бесконтактного акустического метода [8] в основе информационно-измерительной системы [9], позволяющей непрерывно получать и анализировать информацию о состоянии электрооборудования, Целью работы является разработка информационно-измерительной системы для защиты от дуговых и частичных разрядов в комплектных распределительных устройствах электрических подстанций.

Реализация акустического метода

Возникновение дефектов в КРУ обусловлено рядом внешних факторов, таких как воздействие окружающей среды, в том числе загрязнение поверхности электрических изоляторов, влияние электрохимических процессов и электромагнитных полей, в следствие чего происходит увеличение электропроводности элементов оборудования и возникают поверхностные разряды, вызывающие акустические колебания в виде дребезга, треска или ряда последовательных сигналов [10].

Для исследования акустических колебаний разработано устройство (датчик), осуществляющее регистрацию акустических сигналов внутри ячейки КРУ [11].

В основе акустического датчика использовался широкополосный пьезоэлектрический микрофон knowles SPU0410LR5H-QB с усилителем и фильтром низких частот. Ширина диапазона частот микрофона составляет от 100 Гц до 80 кГц, чувствительность -38дБ ±3дБ. Входное/выходное напряжение датчика составляет 3 В. Пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока систематической составляющей основной приведённой погрешности измерения напряжения постоянного тока ±1%.

На рис. 1 приводится внешний вид прототипа акустического датчика.

Рис.1. Прототип акустического датчика

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ И ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПОДСТАНЦИЙ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Калибровка акустического датчика проводилась с помощью многофункционального акустического калибратора компании BRUEL & KJ^R типа 4226. Процесс калибровки показан на рис. 2. Датчик, подключенный с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) к персональному компьютеру (ПК), принимает сигнал, воспроизводимый калибратором с заданной частотой.

Рис.2. Процесс калибровки (1 - ПК, 2 - АЦП, 3 - датчик, 4 - калибратор)

Для сбора данных и визуализации информации использовалось программное обеспечение LGraph2. Снимок экрана программы LGraph2 приведен на рис. 3. В верхнем окне отображен входящий сигнал, в нижнем - спектр входящего сигнала.

Рис.3. Снимок экрана программы LGraph2

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Калибровка производилась методом прямого сравнения с эталонным значением при заданном уровне звукового давления 94 дБ и частоты в 1000 Гц. Характеристики датчика приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики датчика

№ п/п Название характеристики Значения

1 L - измеренный УЗД 94,9

2 ^р - среднее значение отсчетов для 94 дБ 14

3 К - чувствительность микрофона, дБВ/Па 38

4 К - чувствительность микрофона, мВ/Па 12,59

5 Р0 - опорное значение звукового давления, Па 0,00002

6 Коэффициент нелинейных искажений микрофона, % 0,15

Расчет измеренного уровня звукового давления (УЗД) калибровочного сигнала 94 дБ относительно 20 мкПа произведен по формуле: L = 20log (Уср/К/Р0). Калибровочные параметры датчика приведены в табл. 2.

Таблица 2

Калибровочные параметры датчика

Измеренное значение Отклонение от заданного значения Допуск по ГОСТ 17187-81, ГОСТ 8.257-84, ГОСТ 17187-2010

Частота F, Гц 1005 0,5% ±10%

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ), % 7,86 7,71% ±10%

Уровень звукового давления L, дБ 94,9 0,9 дБ ±1,1 дБ

Отклонения калибровочных параметров датчика находятся в пределах допуска, что соответствует установленным метрологическим стандартам и позволяет использовать его в дальнейших исследованиях.

Результаты измерений погрешности датчика в диапазоне частот представлены в таблице 3.

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ И ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПОДСТАНЦИЙ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Таблица 3

Результаты измерений погрешности датчика

№ Номинальное значение ча- Измеренное значение Относительная по-

п/п стоты сигнала калибратора частоты сигнала, Г ц грешность измерения

(эталон), Гц частоты, %

1 125 125,12 0,1

2 250 250,23 0,09

3 500 501,8 0,36

4 1000 1005 0,5

5 2000 1980 1,01

6 4000 3960 1,01

7 8000 7914 1,09

8 12500 12665 1,3

9 16000 15830 1,07

Относительная погрешность измерения частоты сигнала в диапазоне от 125 Гц до 16 кГц (диапазон измерения акустического калибратора типа 4226) не превышает 1,3%, что подтверждает высокую точность измерений.

В ходе ряда экспериментов определено, что для получения достоверного акустического сигнала необходима установка двух акустических датчиков на стенках ячейки КРУ в безопасном от электромагнитных помех месте вдали от токоведущих частей. Схема размещения датчиков показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема размещения датчиков в ячейке КРУ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Датчики подключаются с помощью аналогово-цифрового преобразователя к микроконтроллеру, который считывает данные и передает их по интерфейсу RS-485 на сервер. В лабораторных условиях передача сигнала осуществлялась на персональный компьютер.

Разработанная принципиальная схема акустического датчика (рис. 5) является элементом информационно-измерительной системы и позволяет выявлять дефекты элементов КРУ на ранней стадии развития и своевременно их устранять за счет использования устройства (датчика), осуществляющего регистрацию акустических сигналов внутри ячейки КРУ.

Рис.5. Принципиальная схема акустического датчика

Разработка информационно-измерительной системы

Информационно-измерительная система разработана с использованием акустического датчика, обеспечивающего своевременность выявления дефектов, а также необходимую производительность предварительной обработки оперативно поступающей информации о техническом состоянии КРУ. Структурная схема системы представлена на рис. 6 [11].

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ И ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПОДСТАНЦИЙ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Рис.6. Структурная схема информационно-измерительной системы

Акустические сигналы регистрировались широкополосным микрофоном, подключенным с помощью аналогово-цифрового преобразователя к микроконтроллеру. Цифровой сигнал по интерфейсу RS-485 передавался на сервер, включающий анализатор сигнала, базу знаний, базу данных, подсистему принятия решений. В базе данных фиксируется информация о характеристиках КРУ, а также данные о его текущем состоянии. В базе знаний собрана информация о режимах работы КРУ, позволяющая подсистеме принятия решений генерировать соответствующие заключения при выявлении предаварийного и аварийного состояния КРУ.

Обработка сигнала производилась в разработанном программном комплексе на языке программирования Python с использованием математических библиотек numpy, SciPy, PyWavlets, scikit-image. Алгоритм работы программного комплекса представлен на рис. 7.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Начало

!ыявление

аномалии

Сохранение

Сохранение инф. в базу

сигнала на каналы

Получение инф, из базы

Сохранение инф. в базу знаний

Ваза знаний

Сообщение

Расчет временной

Расчет

спектральной

аномалии

Конец

окна

распределения

инф, в базу

данных

знании

Ьаза данных

данных

Преобразование типа данных

шкалы для

плотности (СП

каждого канала

Расчет

Выбор временного

коэффициентов

сигнала s t

Разделение

Расчет спектра сигнала

Рис. 7. Алгоритм работы программного комплекса

При реализации алгоритма полученные сигналы преобразуются в спектры для расчета, анализа спектральной плотности мощности сигнала и получения коэффициентов распределения спектральной плотности. Полученные сигналы показаны на рис. 8.

На рис. 8а показан типовой сигнал при отсутствии дефекта, т.е. работа КРУ в нормальном режиме, на рис. 8б показан типовой сигнал при появлении дефекта (наличие частичных разрядов), т.е. работа КРУ в предаварийном режиме и на рис. 8в показан типовой сигнал при возникновении дуги, т.е. работа КРУ в аварийном режиме.

Полученный акустический сигнал представляет собой дискретный периодический сигнал и может быть представлен в аналитической форме как функция напряжения от времени u(t), а также в виде осциллограммы (рис. 8).

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ И ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПОДСТАНЦИЙ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Рис.8. Типовые сигналы при отсутствии дефекта (а), при наличии дефекта (б) и при возникновении дуги (в), полученные с акустического датчика

Для проведения спектрального анализа используется оконная функция Хемминга, которая определена по динамическому диапазону сигнала D, исходя из разрядности АЦП по формуле:

D =20 • 1д2в,

где Б=12 - количество разрядов АЦП.

Условием обеспечения требуемого разрешения по частоте df (расстояние между частотами спектральных составляющих сигнала), исходя из частоты дискретизации Fd и свойств выбранной оконной функции является:

Fd

df>AF0 f,

где AFo - нормированная ширина главного лепестка спектра окна, N - количество отсчетов.

На основе прямого дискретного преобразования Фурье [12-14] получены спектральные характеристики - спектральные плотности мощности сигнала.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Для этого определены коэффициенты ряда Фурье U с использованием оконной функции Хемминга Wn периодической последовательности ы„, которые описываются выражением:

N-1

ик = ^ wnune-i2nkn/N,

п=0

где k - номер гармоники, n = 0, 1, ... (N-1) - номер отсчета, 2n/N- основная частота,

2 пп

wn = 0,54 — 0,46 -cos f ——-), при п = 1,2,... (N — 1).

Таким образом, спектральная плотность мощности сигнала:

1

Sk = \ик\2,

В результате получены спектральные плотности мощности сигналов для КРУ в нормальном, предаварийном и аварийном режимах. Типовой вид распределения спектральной плотности мощности сигнала представлен на рис. 9.

Рис. 9. Типовой вид распределения спектральной плотности мощности сигнала в нормальном-1, предаварийном-2 и аварийном-3 состояниях КРУ

При обработке экспериментальных данных выявлено, что величины спектральной плотности мощности (СПМ) сигналов для различных состояний КРУ имеют существенные отличия на разных частотах.

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ И ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПОДСТАНЦИЙ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Анализ состояния КРУ проведен на основании оценки значений коэффициентов распределения спектральной плотности К (рис. 10), полученных соотношением:

К =

СПМ

СПМ

о

где СПМо соответствует нормальному режиму работы.

Рис. 10. Коэффициенты распределения спектральной плотности в нормальном-1, пре-даварийном-2 и аварийном-3 состояниях КРУ

Значения коэффициентов распределения спектральной плотности мощности сигнала в нормальном режиме принимают значения равные единице на любых частотах, в предаварийном режиме значения коэффициентов принимают существенно большие величины, которые лежат в диапазоне от 4 при частоте 1 Гц до 1,2 104при частоте 26 кГц и далее принимают значения близкие к 1,7 102 в диапазоне частот от 50 до 80 кГц, в аварийном режиме значения коэффициентов лежат в диапазоне от 4,3 102 при частоте 157 Гц до 4,2-105 при частоте 21,7 кГц и далее принимают значения близкие к 3,2104 в диапазоне частот от 50 до 80 кГц.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Данные коэффициенты является определяющим критерием, лежащим в основе алгоритма работы ИИС. В зависимости от режима работы КРУ значения полученных коэффициентов отражают наличие или отсутствие дефекта и можно выдвинуть предположение, что для одних видов дефектов, коэффициенты будут принимать одни значения, а для других видов - другие, что может стать предметом исследования в дальнейшей работе. Полученные коэффициенты являются ключевыми параметрами в работе подсистемы принятия решений предложенной ИИС для выявления аварийных и предаварийных состояний электрооборудования.

Таким образом, разработанная ИИС с применением бесконтактного акустического метода диагностики может быть предложена, как способ защиты от дуговых и частичных разрядов путем регистрации и обработки акустического сигнала, полученного с акустического датчика, расположенного внутри КРУ.

Заключение

В результате проведенных экспериментальных исследований и их обобщения выявлен однозначный критерий, характеризующий техническое состояние КРУ. В качестве критерия определены коэффициенты распределения спектральной плотности мощности акустического сигнала. Разработана информационно-измерительная система, позволяющая осуществлять защиту КРУ от дуговых и частичных разрядов, а также её структурная схема и принципиальная схема акустического датчика.

Библиографические ссылки

1. Дистанционная диагностика дефектов в высоковольтных изоляторах / Голенищев-Кутузов А.В., Ахметвалеева Л.В., Еникеева Г.Р. и др. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22, № 2. С. 117-127. doi :10.30724/1998-9903 -2020-22-1-117-127

2. Дорошев К.И. Комплектные распределительные устройства 3-35 кВ. М. : Энергоиздат, 1982. 376 с.

3. Крупенин Н.В., Завидей В.И. Дистанционные методы контроля и системы дефектоскопии высоковольтной изоляции электрических аппаратов по оптическому излучению // Электротехника. 2011. № 9. С. 12-15

4. Дуговые защиты высоковольтных электроустановок. Возможные пути совершенствования / Нагай В.И., Сарры С.В., Нагай И.В., Украинцев

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ И ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПОДСТАНЦИЙ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

А.В. // Релейная защита и автоматизация. 2022. № 1. С. 12-21

5. Нагай В.И. Дуговые защиты КРУ 6-10 кВ на базе многоканального микропроцессорного устройства РДЗ-017М // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими. 2006. С. 68-73

6. Зотов А. Я., Рогов В. И., Дорошев К. И. Авторское свидетельство № 1649620 A1 СССР, МПК H02H 7/22. Комплексное распределительное устройство КРУ с блоком защиты шин от дугового короткого замыкания : № 4406503 : заявл. 15.03.1988 : опубл. 15.05.1991.

7. Казачков Ю.П. Аналитический обзор устройств дуговой защиты для атомных электростанций // Мир измерений. 2013. № 12. С. 38-45.

8. Фролов К.В., Инаходова Л.М., Крылов А.О. Анализ диагностических сигналов высоковольтного оборудования, полученных акустическим методом // Сборник статей по материалам четвёртой Всероссийской научно-практической конференции «Современная наука: актуальные проблемы, достижения и инновации». Белебей : Самарский гос. техн. ун-т, 2023. С. 102-104

9. Виноградова Н.А., Г айдученко В.В., Карякин А.И. Основы построения информационно-измерительных систем : пособие по системной интеграции. М. : Изд-во МЭИ, 2004. 268 с.

10. Инаходова Л.М., Фролов К.В. Исследование звукового излучения контактных соединений распределительных устройств подстанций // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2021. № 4. С. 26-32. DOI 10.53015/18159958_2021_4_26

11. Инаходова Л.М., Цынаева А.А., Фролов К.В. Устройство защиты от дуговых и частичных разрядов: пат. 2815081 C1 Рос. Федерация : МПК G01R 31/08 (2006.01). № 2023122367 ; заявл. 29.08.2023 ; опубл. 11.03.2024.

12. Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа. М. : Горячая линия-Телеком, 2006. 224 с.

13. Крук Б.И., Журавлева О.Б. Основы спектрального анализа : учеб. пособие для вузов. М. : Горячая линия-Телеком, 2013. 148 с.

14. Маряхина В.С., Кунавина Е.А., Строганова Е.А. Теоретические основы методов спектрального анализа : учеб. пособие. Оренбург : Оренбургский гос. ун-т, ЭБС АСВ, 2016. 135 с.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)

Title: Creation of an Information and Measuring Protection System against Arc and Partial Discharges in Complete Switchgears of Substations

Authors ’ affiliation:

Frolov K.V. - Samara State Technical University, Samara, Russian Federation

Abstract: In the article, the author considers the development and description of the principle of operation of an information and measuring protection system against arc and partial discharges in complete switchgears of electrical substations. The data acquisition by the information and measurement system is carried out on the basis of the acoustic method, followed by analysis and decision-making on disconnecting the power supply circuits when a pre-emergency condition of electrical equipment is detected. A block diagram of an information and measurement system and a schematic diagram of an acoustic sensor are presented. The criteria characterizing the technical condition of the control panel are defined. A method of protection against arc and partial discharges by recording and processing an acoustic signal is proposed.

Keywords: information and measurement system, acoustic method, spectral density distribution coefficients, protection against arc and partial discharges, complete switchgear.