способ функционального контроля статических и динамических элементов трехфазных электротехнических и электромеханических систем
Классы МПК: | G01R31/00 Устройства для определения электрических свойств; устройства для определения местоположения электрических повреждений; устройства для электрических испытаний, характеризующихся объектом, подлежащим испытанию, не предусмотренным в других подклассах |
Автор(ы): | Гольдштейн Ефрем Иосифович (RU), Кац Илья Маркович (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-01-10 публикация патента:
27.04.2007 |
Предложенное изобретение относится к области электромеханики, а именно к применению средств обработки информации в электромеханике, и может быть использовано для функционального контроля трехфазных трансформаторов, линий электропередач и асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Задачей изобретения является создание простого, быстрого и универсального способа функционального контроля указанных выше объектов. Предложенный способ заключается в том, что производят аналого-цифровое преобразование сигналов токов и напряжений трех фаз с выходов трансформаторов тока и напряжения, далее оцифрованные сигналы токов iA(t j), iB(tj), iC(tj) и напряжений uA(tj), u B(tj), uC(t j), измеренные в момент времени tj , запоминают с помощью кольцевой памяти, одновременно с этим по данным сигналам и сигналам iA(t j-1), iB(tj-1 ), iC(tj-1) и u A(tj-1), uB (tj-1), uC(t j-1), измеренным в момент времени tj-1 , в течение одного периода входного напряжения/тока, определяют значения диагностических коэффициентов для каждой из фаз Ф, далее сравнивают полученные значения диагностических коэффициентов со значениями образцовых коэффициентов Н А, Н В, Н С, полученных по аналогичной процедуре для заведомо исправной нагрузки, кроме того, при настойке системы вводят в блок памяти значение допустимой разности образцовых коэффициентов Н, сравнивают их с измеренными значениями и делают вывод о состоянии контролируемого объекта. 1 ил., 3 табл.
Формула изобретения
Способ функционального контроля статических и динамических элементов трехфазных электротехнических и электромеханических систем, отличающийся тем, что производят аналого-цифровое преобразование сигналов токов и напряжений трех фаз с выходов трансформаторов тока и напряжения, далее оцифрованные сигналы токов i A(tj), iB(t j), iC(tj) и напряжений uA(tj ), uB(tj), u C(tj), измеренные в момент времени tj, запоминают с помощью кольцевой памяти, одновременно с этим по данным сигналам и сигналам i A(tj-1), iB (tj-1), iC(t j-1) и uA(tj-1 ), uB(tj-1), u C(tj-1), измеренным в момент времени tj-1, в течение одного периода входного напряжения/тока, определяют значения диагностических коэффициентов для каждой из фаз
где Ф - значение диагностического коэффициента для одной из фаз;
iФ(t j-1) и uФ(tj-1 ) - мгновенные значения токов и напряжений одной из фаз, измеренные в момент времени tj-1;
i Ф(tj) и uФ(t j) - мгновенные значения токов и напряжений одной из фаз, измеренные в момент времени tj;
N - число дискретных значений выходного сигнала напряжения/тока аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала,
далее сравнивают полученные значения диагностических коэффициентов со значениями образцовых коэффициентов Н А, Н В, Н С, полученных по аналогичной процедуре для заведомо исправной нагрузки, которые введены в блок памяти на стадии настройки системы функционального контроля, кроме того, при настройке системы вводят в блок памяти значение допустимой разности образцовых коэффициентов Н, определенной по выражениям
где в качестве допустимой разности Н принимают наибольшее значение из разностей 1, 2 и 3;
сравнение диагностических коэффициентов для каждой фазы производят по выражению
Ф=| Ф- H Ф|,
где Ф - разность значений расчетного и образцового диагностического коэффициента для одной из фаз;
при этом условием исправности контролируемого объекта является выполнение неравенства
Ф Н.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области электромеханики, а именно к применению средств обработки информации в электромеханике, и может быть использовано для функционального контроля трехфазных трансформаторов, линий электропередач и асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
В настоящее время аналоги не известны.
Задачей изобретения является создание простого, быстрого и универсального способа функционального контроля линий электропередач, трансформаторов и асинхронных двигателей в рабочем режиме.
Это достигается тем, что производят аналого-цифровое преобразование сигналов токов и напряжений трех фаз с выходов трансформаторов тока и напряжения. Далее оцифрованные сигналы токов iA(tj), i B(tj), iC(t j) и напряжений uA(t j), uB(tj), uC(tj), измеренные в момент времени tj, запоминают с помощью кольцевой памяти. Одновременно с этим по данным сигналам и сигналам iA(tj-1), i B(tj-1), iC (tj-1) и uA(t j-1), uB(tj-1 ), uC(tj-1), измеренным в момент времени tj-1, в течение одного периода входного напряжения/тока, определяют значения диагностических коэффициентов для каждой из фаз
где Ф - значение диагностического коэффициента для одной из фаз;
iФ(t j-1) и uФ(tj-1 ) - мгновенные значения токов и напряжений одной из фаз, измеренные в момент времени tj-1;
i Ф(tj) и uФ(t j) - мгновенные значения токов и напряжений одной из фаз, измеренные в момент времени tj;
N - число дискретных значений выходного сигнала напряжения/тока аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала.
Далее сравнивают полученные значения диагностических коэффициентов со значениями образцовых коэффициентов Н А, Н В, Н С, полученных по аналогичной процедуре для заведомо исправной нагрузки, которые введены в блок памяти на стадии настройки системы функционального контроля. Кроме того, при настройке системы вводят в блок памяти значение допустимой разности образцовых коэффициентов Н, определенной по выражениям
где, в качестве допустимой разности Н принимают наибольшее значение из разностей 1, 2 и 3.
Сравнение диагностических коэффициентов для каждой фаз производят по выражению
где Ф - разность значений расчетного и образцового диагностического коэффициента для одной из фаз.
При этом условием исправности контролируемого объекта является выполнение неравенства
Известно, что определение площади вольтамперной характеристики (FВАХ) и ее периметра (ПВАХ) для каждой из фаз трехфазной системы осуществляется по следующим выражениям [Функциональный контроль и диагностика электротехнических и электромеханических систем и устройств по цифровым отчетам мгновенных значений тока и напряжения / B.C.Аврамчук, Н.Л.Бацева, Е.И.Гольдштейн, И.Н.Исайченко, Д.В.Ли, А.О.Сулайманов, И.В.Цапко // Под ред. Е.И.Гольдштейна. Томск: Печатная мануфактура, 2003]:
где в (5) и (6)
iA( tj-1), iB(t j-1), iC(tj-1 ) и uA(tj-1), u B(tj-1), uC (tj-1) - мгновенные значение токов и напряжений фаз А, В, С, измеренные в момент времени tj-1 ;
iA(tj), i B(tj), iC(t j) и uA(tj), uB(tj) и u C(tj) - мгновенные значение токов и напряжений фаз А, В, С, измеренные в момент времени t j;
N - число дискретных значений выходного сигнала напряжения/тока аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала.
На основе выражений (5) и (6) для каждой из фаз можно определить значения диагностических коэффициентов A> B и C характеризующие вольтамперные характеристики по следующим выражениям:
Если с определенной периодичностью вести сопоставление текущих значений разностей диагностических коэффициентов со значением допустимой разности, то при их резком различии может быть сделан вывод о неисправности электрооборудования.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить функциональный контроль работающего электрооборудования по массивам мгновенных значений токов и напряжений трех фаз путем их измерения в течение одного периода тока/напряжения, вычисления диагностических коэффициентов и сравнения их. Универсальность способа заключается в том, что диагностические коэффициенты находятся по одинаковым процедурам для любого типа вышеперечисленного электрооборудования, а за образцовые коэффициенты принимают значения коэффициентов, вычисленных для заведомо исправного конкретного электрооборудования, работающего в нормальном режиме.
На чертеже приведена функциональная блок-схема способа.
В таблице 1 приведены числовые результаты расчета оценочных коэффициентов, площадей и периметров вольтамперных характеристик для случая работы трансформатора 110/35 кВ в нормальном режиме и при несимметрии напряжения на питающих шинах.
В таблице 2 приведены числовые результаты расчета оценочных коэффициентов, площадей и периметров вольтамперных характеристик фазы А для случая работы электроцентробежных насосов в нормальном режиме.
В таблице 3 приведены числовые результаты расчета оценочных коэффициентов, площадей и периметров вольтамперных характеристик для случая работы линии электропередачи 220 кВ в нормальном режиме и при замыканиях фаз А и В.
Предложенный способ диагностики может быть реализован, например, с помощью функциональной блок-схемы, которая представлена на чертеже. Она содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1; блок кольцевой памяти (КП) 2; программатор вычисления диагностических коэффициентов (П) 3; блок сравнения (БС) 4; блок ввода образцовых коэффициентов (Блок ввода) 5; блок памяти (БП) 6.
К входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1 присоединены трансформаторы тока и напряжения (не показаны). Выходы преобразователя (АЦП) 1 связаны с входами блока кольцевой памяти (КП) 2 и с входами программатора (П) 3. Выходы блока кольцевой памяти (КП) 2 связаны с входами программатора (П) 3. Выходы программатора (П) 3 соединены с входами блока сравнения (БС) 4 и с входами сегментных индикаторов (не показаны). Выходы блока ввода образцовых коэффициентов (Блок ввода) 5 соединены с входами блока памяти (БП) 6. Выходы блока памяти (БП) 6 соединены с входами блока сравнения (БС) 4. Выходы блока сравнения (БС) 4 соединены с входами сегментных индикаторов (не показаны).
В качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1 может быть выбран, например, аналого-цифровой преобразователь серии МАХ 186 (12 бит). Блок кольцевой памяти (КП) 2 и блок памяти (БП) 6 могут быть реализованы на внешней перезаписываемой памяти данных Amtel AT25L256 (32 кБайта). Программатор (П) 3 может быть выполнен на микроконтроллере серии 51 производителя Atmel AT89S53.
Рассмотрим несколько режимов работы трансформатора 110/35 кВ, установленного на подстанции Томской энергосистемы.
При поступлении аналоговых сигналов токов и напряжений трех фаз с трансформаторов тока и напряжения (не показаны) на вход аналого-цифрового преобразователя 1 происходит их преобразование в цифровой сигнал при числе дискретных значений выходного сигнала аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала N=24. Оцифрованные сигналы токов iА(t j), iB(tj), iC(tj) и напряжений uA(tj), u B(tj), uC(t j), измеренные в момент времени tj , поступают одновременно на вход блока кольцевой памяти (КП) 2 и на вход программатора (П) 3. В блоке кольцевой памяти (КП)2 запоминают текущие значения токов iA(t j), iB(tj), iC(tj) и напряжений uA(tj), u B(tj), uC(t j) для использования их в последующий момент времени. С выходов блока кольцевой памяти (КП) 2 сигналы i A(tj-1), iB (tj-1), iC(t j-1) и uA(tj-1 ), uB(tj-1), u C(tj-1), соответствующие моменту времени tj-1, поступают на вход программатора (П) 3. Одновременно с этим, на соответствующие входы программатора (П) 3 поступают сигналы токов с выходов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1. В программаторе (П) 3 по следующим выражениям производят расчет диагностических коэффициентов:
где N - число дискретных значений выходного сигнала напряжения/тока аналого-цифрового преобразователя на периоде входного сигнала (N=24).
С выходов программатора (П) 3 сигнал поступает на входы блока сравнения (БС) 4 и на соответствующие входы сегментных индикаторов (не показаны). С помощью блока ввода образцовых коэффициентов (Блок ввода) 5 задают значения образцовых коэффициентов и значение допустимой разности Н. С него сигнал поступает на вход блока памяти (БП) 6. С выходов блока памяти (БП) 6 сигнал поступает на блок сравнения (БС) 4, где по соотношениям (3) происходит вычисление значений Ф и их сравнение с допустимыми значениями Н. С выхода блока сравнения (БС) 4 сигнал об исправности или неисправности контролируемой трехфазной системы и значения диагностических коэффициентов для каждой фазы поступают на соответствующие входы сегментных индикаторов (не показаны).
В табл.1 приведены результаты расчетов коэффициентов для трансформатора 110/35 кВ, работающего в нормальном режиме и при несимметрии питающего напряжения на зажимах данного трансформатора. В случае нормального режима производят настройку системы диагностики путем расчета по выражениям (8) значений образцовых диагностических коэффициентов Н А, Н В, Н С и допустимой разности Н
где , ^, - образцовые диагностические коэффициенты, рассчитанные для нормального режима работы трансформатора.
В качестве допустимой разности Н принимают наибольшее значение из разностей 1, 2 и 2.
Эти значения вводятся в блок памяти (БП) 6 с помощью блока ввода 5.
Оценку исправности системы для каждой фазы производятся по условию, что разность значений расчетного и образцового диагностических коэффициентов для одной из фаз меньше или равна их допустимой разности Н.
Затем по выражениям (3) находят разности значений расчетного и образцового диагностического коэффициента для каждой из фаз:
Так как значение С больше допустимой разности Н, то система выдает сигнал о неисправности в фазе С.
В табл.2 приведен пример расчетов оценочных коэффициентов для работающих в нормальном режиме электроцентробежных насосов. По причине отсутствия данных по другим фазам расчеты, аналогичные для случаев, описанных в табл.1, не могут быть проведены, однако мы можем судить об исправности данного оборудования путем сопоставления диагностических коэффициентов, рассчитанных для ряда аналогичного оборудования, работающего в нормальном режиме.
В табл.3 приведен пример расчетов коэффициентов для линии электропередачи, работающей в нормальном и аварийных режимах. В данном случае допустимая разность коэффициентов Н=334. В случае замыкания фазы А, разности значений расчетных и образцовых диагностических коэффициентов равны А=9550, В=255, С=103. Система диагностики выдает сигнал о неисправности в фазе А, так как значение А больше допустимого значения. В случае замыкания фаз А и В, разности значений расчетных и образцовых диагностических коэффициентов равны А=8434, В=13911, С=327. Система диагностики выдает сигнал о неисправности в фазах А и В, так как значения А и В больше допустимого значения.
Как видно из табл.1, табл.2, табл.3, значения коэффициентов в нормальном режиме работы для всех фаз примерно одинаковы. При отклонениях режима работы оборудования от нормального происходит резкое изменение значений диагностических коэффициентов у соответствующих фаз.
Таблица 1. СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ | |||||||||||
Фаза | F*107 | П*105 | Примечания | ||||||||
А | 13280 | 1,252 | 4.077 | Нормальный режим работы трансформатора | |||||||
В | 9919 | 1.455 | 3.799 | ||||||||
С | 7273 | 1.521 | 3.326 | ||||||||
А | 15080 | 1.21 | 4.271 | Несимметрия напряжения на питающих шинах трансформатора | |||||||
В | 9650 | 1.548 | 3.865 | ||||||||
С | 1188 | 6.495 | 6.495 | ||||||||
Таблица 2. | |||||||||||
Фаза | F*104 | П*103 | Примечания | ||||||||
А | 113 | 2.258 | 1.558 | Скважина №221 | |||||||
Нормальный режим | |||||||||||
А | 149 | 1.266 | 1.586 | Скважина №2716 | |||||||
Нормальный режим | |||||||||||
Таблица 3. | |||||||||||
Фаза | F*107 | П*105 | Примечания | ||||||||
А | 13971 | 3.988 | 7.47 | Нормальный режим работы ЛЭП | |||||||
В | 14029 | 4.174 | 7.668 | ||||||||
С | 13695 | 4.473 | 8.35 | ||||||||
А | 4421 | -9.189 | 6.374 | Замыкание фазы А на Землю | |||||||
В | 13774 | 4.988 | 7.608 | ||||||||
С | 13592 | 4.172 | 8.355 | ||||||||
А | 5537 | -7.195 | 6.312 | Замыкание фаз А и В | |||||||
В | 118 | -7.848 | 6.509 | ||||||||
С | 13644 | 5.768 | 7.611 |
Класс G01R31/00 Устройства для определения электрических свойств; устройства для определения местоположения электрических повреждений; устройства для электрических испытаний, характеризующихся объектом, подлежащим испытанию, не предусмотренным в других подклассах