Indikátor poruch izolačního systému vysokonapěťových izolovaných vodičů

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení pro zjišťování poruch vysokonapěťového elektrického vedení obsahujícího izolované závěsné vodiče.

Dosavadní stav techniky

Je známo, že se v odlehlých oblastech a ve špatně přístupném terénu, zejména pokud hrozí nebezpečí vzniku poruchy v důsledku kontaktu vodičů s okolím, používají v rozvodech vysokého napětí izolované vodiče. Jsou známy systémy pro zjišťování závad na rozvodech vysokého napětí, které jsou založeny na zjištění jednopólové zemní poruchy mezi fázovým vodičem a zemí, ke kterému dojde při přetržení fázového vodiče. Je-li však použit izolovaný vodič, ke vzniku jednopólové zemní poruchy nedojde. Dle dokumentu US 6 470 283 je známo zařízení vyhodnocující bezkontaktně průběh proudu a napětí vodičem pomocí proudových transformátorů a napěťových děličů. Použité proudové transformátory měří primárně základní harmonickou složku a její násobky a s využitím daného zařízení tak není principiálně možné vyhodnotit poruchu izolačního systému vysokonapěťového izolovaného závěsného vodiče, jelikož poruchový proud generovaný poruchou izolačního systému se projevuje ve vysokofrekvenční oblasti v řádech stovek kHz a výše. Dále je známo zařízení pro bezkontaktní měření napětí a proudů US 5 473 244 A, které však stejně jako předchozí zařízení US 6 470 283 je určeno pouze pro měření efektivních hodnot elektrických veličin v oblasti nízkých frekvencí a nezahrnuje tak oblast stovek kHz a výše, kde je dominantní část poruchového proudu v případě poruchy vysokonapěťového elektrického vedení obsahujícího izolované závěsné vodiče. Zařízení dle US 4 714 893 A umožňuje bezkontaktní snímání napětí a proudů a určit jejich efektivní hodnoty, navíc popisuje sběr dat a jejich odeslání na centrální server. Zařízení dle US 4 714 893 A stejně jako předchozí řešení vyhodnocuje měřené veličiny v oblastech nízkých kmitočtů a není vhodné pro indikaci poruch izolačního systému. Z dokumentu US 2008/0061997 AI je známo zařízení umožňující indikovat poruchu izolačního systému vysokonapěťového zařízení s využitím měření elektromagnetického pole s pomocí antén. Jedna z antén je umístěna uvnitř uzavřeného prostoru vysokonapěťového zařízení, kterým je vysokonapěťový transformátor či olejový vypínač a měří signál elektromagnetické vlny generované výbojovou činností v místě poškození izolace. Druhá z antén je umístěna vně sledovaného zařízení a měří signál elektromagnetické vlny generované šumem okolního prostředí. Vyhodnocovací jednotka určuje poměr úrovně signálu elektromagnetické vlny generované výbojovou činností a signálu elektromagnetické vlny generované šumem okolního prostředí, přičemž v případě překročení dané úrovně vyhodnotí poruchu. Zařízení dle US 2008/0061997 AI není vhodné pro indikaci poruch zařízení nacházející se ve volném prostoru bez ohraničení uzavřeným prostorem z důvodu vysoké intenzity signálu generovaného šumem ku signálu elektromagnetické vlny generované poruchou, není tedy vhodné pro indikaci poruch vysokonapěťového závěsného vodiče. Zařízení dle US 2008/0061997 AI neumožňuje identifikaci druhu poruchy vysokonapěťového zařízení. Z popisu dokumentu CZ 19263 je známo zařízení pro indikaci poruchy vysokonapěťového závěsného izolovaného vodiče. Toto zařízení je určeno ke zjišťování závad spočívajících v přerušení izolovaného vodiče, kdy dochází k jeho pádu na zem, a to i v případě, že nedojde ke vzniku krátkého spojení. Zařízení popsané v tomto dokumentu obsahuje prstencový snímač rozptylového elektrického pole, kterým prochází sledovaný vysokonapěťový vodič. Tento snímač je připojen přes jednotku pro získání impulzní složky k frekvenčnímu filtru, který je připojen k výpočetní jednotce, jejíž výstup je spojen s vyhodnocovací jednotkou. U tohoto zařízení je snímán průběh elektrického pole na povrchu sledovaného izolovaného vysokonapěťového vodiče. Ze snímaného signálu se sleduje pouze impulzní složka, zatímco základní složka je před vlastním zpracováním signálu potlačena. Z impulzní složky jsou po předchozí digitalizaci odfiltrovány frekvence pod 10 kHz. Ze signálu obsahujícího frekvence nad 10 kHz se v předem určených časových intervalech vyhodnocují efektivní hodnoty impulzní složky elektrického pole v jednotli

- 1 CZ 306060 B6 vých časových intervalech, které se vzájemně porovnávají za účelem zjištění, zda nedošlo k poruše.

Nevýhodou tohoto zařízení je, že spolehlivě indikuje pouze přetržení vodiče, přičemž další typy poruch nejsou jednoznačně identifikovatelné. Například, pokud se větev dotkne izolace vodiče nebo ulomená větev zůstane ležet přes více izolovaných vodičů různých fází, v místě styku větve s izolovanými elektrickými vodiči dochází k deformaci elektrického pole a k jeho koncentraci do místa dotyku. Tento stav, pokud není včas zjištěn, vede k postupné degradaci izolace, což při delší expozici může vyústit do mezifázového zkratu nebo do jednopólové zemní poruchy.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody řeší způsob a zařízení pro zjišťování poruch vedení vysokého napětí s izolovanými závěsnými vodiči podle tohoto vynálezu.

Podstatou způsobu zjišťování poruch vedení vysokého napětí s izolovanými závěsnými vodiči, při kterém, ve vzdálenosti do 5 metrů od izolovaného závěsného vodiče, se snímá elektrická složka elektromagnetického pole vodiče a současně magnetická složka elektromagnetického pole vodiče, je, že následně se jak ze signálu představujícího elektrickou složku, tak ze signálu představujícího magnetickou složku, odfiltrují frekvence nižší než 300 kHz. Dále v po sobě následujících předem určených časových intervalech se sledují hodnoty reprezentující úroveň elektrické složky a úroveň magnetické složky nad 300 kHz. Poté se samostatně pro filtrovaný signál elektrické složky elektromagnetického pole a/nebo magnetické složky elektromagnetického pole v jednotlivých předem určených časových intervalech provádí frekvenční analýza. Porovnávají se a vyhodnocují hodnoty získaného frekvenčního spektra ve vybraných frekvenčních pásmech pro indikaci poruchy. Alternativně se pro elektrickou složku elektromagnetického pole vodiče a/nebo pro magnetickou složku elektromagnetického pole vodiče v jednotlivých předem určených časových intervalech sledují počty impulzů pro indikaci poruchy. Získané hodnoty se přenáší na dispečink.

Zařízení pro provádění způsobu, obsahující snímač elektrické složky elektromagnetického pole vodiče a snímač magnetické složky elektromagnetického pole vodiče, kde oba snímače jsou umístěny do 5 metrů od sledovaného izolovaného závěsného vysokonapěťového vodiče, dále obsahuje první filtrační zařízení, připojené na snímač elektrické složky elektromagnetického pole vodiče, a druhé filtrační zařízení, připojené na snímač magnetické složky elektromagnetického pole vodiče. Na výstup prvního filtračního zařízení je zapojen první A/D převodník připojený na první vstup výpočetní jednotky. Na výstup druhého filtračního zařízení je zapojen druhý A/D převodník připojený na druhý vstup výpočetní jednotky. Výpočetní jednotka je propojená s vyhodnocovací jednotkou. Alternativně je na místě výpočetní jednotky a vyhodnocovací jednotky zapojena výpočetní a vyhodnocovací jednotka. Výpočetní jednotka nebo výpočetní a vyhodnocovací jednotka je uspořádána pro sledování počtu impulzů v jednotlivých předem určených časových intervalech a/nebo pro frekvenční analýzu signálu a porovnávají hodnot spektra ve vybraných frekvenčních pásmech pro indikaci poruchy. K výstupu výpočetní a vyhodnocovací jednotky nebo k výstupu vyhodnocovací jednotky je připojeno zařízení pro dálkový přenos. Alternativně je do výpočetní a vyhodnocovací jednotky nebo vyhodnocovací jednotky je integrováno zařízení pro dálkový přenos.

Alternativně je na výstup prvního filtračního zařízení zapojen první vstup A/D převodníku a na výstup druhého filtračního zařízení je zapojen druhý vstup A/D převodníku. Výstup A/D převodníku je připojen na vstup výpočetní a vyhodnocovací jednotky.

Výhodou způsobu a zařízení podle tohoto vynálezu je, že na vysokonapěťovém rozvodu obsahujícím izolované vodiče může být závada zjištěna dříve, než dojde ke vzniku destrukční poruchy např. mezifázového zkratu nebo obloukové zemní poruchy. Funguje tedy i jako prevence vzniku

-2CZ 306060 B6 zemních spojení a zkratů. Současné použití obou snímačů vede ke zvýšení selektivity a ke zvýšení citlivosti, což se projeví například tím, že zařízením lze sledovat velký úsek vedení, přičemž lze zjistit i takové kontakty vodičů s okolím, které nepředstavují zkrat nebo zemní spojení.

Objasnění výkresů

Obrázek 1 znázorňuje blokové schéma zařízení podle příkladu 1, obrázek 2 znázorňuje blokové schéma zařízení podle příkladu 2 a obrázek 3 představuje zapojení podle příkladu 3.

Příklady uskutečnění vynálezu

Způsob zjišťování poruch vedení vysokého napětí s izolovanými závěsnými vodiči se provádí tak, že ve vzdálenosti 1 metr od sledovaného závěsného izolovaného vodiče se samostatně snímá elektrická složka elektromagnetického pole vodiče a magnetická složka elektromagnetického pole vodiče. Jak ze signálu představujícího elektrickou složku, tak ze signálu představujícího magnetickou složku, se nejprve odfiltrují frekvence nižší než 300 kHz. Analogové signály reprezentující elektrickou složku a magnetickou složku ležící v pásmu nad 300 kHz se převedou na digitální signály pro zpracování ve výpočetní jednotce 5 nebo ve výpočetní a vyhodnocovací jednotce 56. V předem určených po sobě následujících časových intervalech o délce 100 ms se sledují hodnoty reprezentující úroveň elektrické složky a úroveň magnetické složky. Pro elektrickou složku elektromagnetického pole vodiče a magnetickou složku elektromagnetického pole vodiče v jednotlivých po sobě následujících časových intervalech se provádí frekvenční analýza signálů, kdy se porovnávají a vyhodnocují hodnoty frekvenčního spektra ve vybraných frekvenčních pásmech. Alternativně pro elektrickou složku elektromagnetického pole vodiče a současně pro magnetickou složku elektromagnetického pole vodiče se v jednotlivých časových intervalech se sledují počty impulzů. Informace se přenáší do dispečinku pomocí sítě mobilního operátora. Porucha je indikována, pokud je zjištěna odchylka v elektrické složce elektromagnetického pole vodiče a/nebo v magnetické složce elektromagnetického pole vodiče. Současná aplikace snímače 21 elektrické složky elektromagnetického pole vodiče 1 a snímače 22 magnetické složky elektromagnetického pole vodiče 1 vede ke zvýšení selektivity a citlivosti, kdy lze sledovat celý úsek vedení, přičemž jsou indikovány kontakty vodičů 1 s okolím, které nepředstavují zkrat nebo zemní spojení.

Na výkrese obr. 1 je znázorněno první provedení zařízení pro zjišťování poruch vedení vysokého napětí s izolovanými závěsnými vysokonapěťovými vodiči. Pod každým závěsným izolovaným vodičem vysokonapěťového vedení je umístěn ve vzdálenosti 1 metr od sledovaného izolovaného závěsného vysokonapěťového vodiče 1 snímač 21 elektrické složky elektromagnetického pole vodiče 1 a snímač 22 magnetické složky elektromagnetického pole vodiče 1. Snímač 21 elektrické složky elektromagnetického pole vodiče 1 je přes první filtrační zařízení 31 a přes první A/D převodník 41 připojen na první vstup 51 výpočetní jednotky 5. Snímač 22 magnetické složky elektromagnetického pole vodiče 1 je připojen přes druhé filtrační zařízení 32 a přes druhý A/D převodník 42 na druhý vstup 52 výpočetní jednotky 5. Výstup 53 výpočetní jednotky 5 je spojen se vstupem 61. vyhodnocovací jednotky 6. Do vyhodnocovací jednotky 6 je integrováno zařízení 8 pro dálkový přenos.

Na výkrese obr. 2 je znázorněno druhé provedení zařízení pro zjišťování poruch vedení vysokého napětí s izolovanými závěsnými vysokonapěťovými vodiči. Zařízení podle příkladu 2 je shodné jako zařízení popsané v příkladu 1 s tím rozdílem, že vyhodnocovací jednotka 6 zahrnuje zařízení 8 pro dálkový přenos prostřednictvím sítě 7 mobilních operátorů.

Na výkrese obr. 3 je znázorněno třetí provedení zařízení pro zjišťování poruch vedení vysokého napětí s izolovanými závěsnými vysokonapěťovými vodiči. Zařízení podle příkladu 3 se od zařízení popsaného v příkladu 1 liší tím, že obsahuje pouze jeden A/D převodník 4 opatřený prvním

-3 CZ 306060 B6 vstupem 411 a druhým vstupem 412. Snímač 21 elektrické složky elektromagnetického pole vodiče 1 je přes první filtrační zařízení 31 připojen k prvnímu vstupu 411 A/D převodníku 4 a snímač 22 magnetické složky elektromagnetického pole vodiče 1 je připojen přes druhé filtrační zařízení 32 ke druhému vstupu 412 A/D převodníku 4. Výstup 43 A/D převodníku 4 je spojen se vstupem 561 výpočetní a vyhodnocovací jednotky 56, jejíž výstup 562 je připojen vedením 70 na dispečink 7a.

Průmyslová využitelnost

Způsob a zařízení podle tohoto vynálezu je obecně možno použít pro zjišťování poruch, které se projevují změnou elektromagnetického pole, tedy poruch vedení vysokého napětí s izolovanými závěsnými vodiči.