способ диагностики силовой электрической цепи переменного тока

Формула изобретения

1. Способ диагностики силовой электрической цепи переменного тока, при котором периодически, в условиях температуры окружающей среды от минус 5 до плюс 35°С и относительной влажности не более 80% производят контрольную запись зависимостей от времени напряжения и тока по отходящим к нагрузке кабельным линиям в трех фазах, выполняемую при установившемся в течение не менее 5 мин режиме с помощью датчиков тока-датчиков Холла и омических датчиков напряжения, имеющих линейную амплитудно-частотную характеристику с допустимым отклонением от линейности не более ±3 дБ, с последующим пропусканием через фильтр низких частот с частотой среза выше наибольшей полезной частоты сигнала, далее преобразуют с помощью аналого-цифрового преобразователя полученные сигналы из аналоговой в цифровую форму и формируют с помощью вычислительных средств спектры напряжения и тока по каждой из фаз со степенью разрешения 0,01-0,2 Гц, после чего производят сравнение обоих спектров, при котором проверяют наличие или отсутствие рассогласования спектров тока и напряжения в каждой фазе, выражающегося в присутствии в спектре тока значительной частотной составляющей, отсутствующей в спектре напряжения на этой же частоте, хотя бы для одной из фаз, и в этом случае фиксируют наличие нелинейного элемента в электрической сети, при каждой очередной контрольной записи сравнивают вновь полученное рассогласование спектров с предыдущим и при выявлении нарастания рассогласования во времени, хотя бы для одной из фаз, делают вывод о том, что наличие нелинейного элемента обусловлено развитием неисправности, а при отсутствии изменений рассогласования делают вывод о том, что наличие нелинейного элемента обусловлено не представляющими опасности нелинейными параметрами цепи, обусловленными ее составом, и конфигурацией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждую запись значений напряжения и тока производят с интервалом не более 6 месяцев, в течение 15-525 с выполняют предпочтительно с разрешением по частоте не менее 0,01-0,2 Гц с помощью датчиков тока и напряжения с линейной амплитудно-частотной характеристикой предпочтительно в диапазоне частот от 0 до 10 кГц.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в целях снижения эффекта растекания спектра при выполнении спектрального анализа используются оконные функции.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что выделяют анализируемые частоты с помощью фильтра низких частот ниже частоты Найквиста.

5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что преобразование из аналоговой в цифровую форму осуществляют с помощью АЦП с диапазоном не менее 14 разрядов.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что спектральный анализ и сравнение амплитуд производят преимущественно в области амплитуд от минус 100 дБ до 0 дБ путем выявления пиков (амплитуд напряжения и/или тока) на характерных частотах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области диагностирования электрических цепей переменного тока, в том числе размещенных в труднодоступных местах, и выявления их неисправностей на ранних стадиях развития. В процессе эксплуатации силовой цепи с нагрузкой могут возникать повреждения отдельных элементов, что в свою очередь приводит к преждевременному выходу из строя. Необходимость заблаговременного выявления и мониторинга неисправностей труднодоступных ответственных цепей устройств, используемых, например, на предприятиях нефтегазового комплекса, атомных электростанциях и т.п., связана с обеспечением безопасной эксплуатации этих сложных систем в целом.

Известен способ определения технического состояния (диагностики) силовой электрической цепи переменного тока, при котором регистрируют и анализируют сигнал, порождаемый вибрацией оборудования, при этом регистрируют сигнал от переменной составляющей суммы фазных токов питания путем установки датчика напряжения одновременно на три фазы питающего кабеля, анализируют форму и амплитуду полученного сигнала и, сравнивая со значениями предыдущих измерений, оценивают возможность ее дальнейшей эксплуатации (RU №2213270, 2003).

Недостатками этого способа является то, что он не обеспечивает дистанционного диагностирования, низкая точность диагностики, а также сложность необходимых измерений и ограниченность видов диагностируемых неисправностей.

Известен способ диагностики силовой электрической цепи электродвигателей переменного тока, при котором в течение заданного интервала времени производят запись значений фазного тока, потребляемого электродвигателем, с помощью датчика тока с линейной амплитудно-частотной характеристикой, выделяют анализируемые характерные частоты с помощью фильтра низких частот, преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму, а затем производят спектральный анализ полученного сигнала и сравнение значений амплитуд на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети (RU №2005110648, 2006, прототип).

Недостатками данного способа являются повышенная трудоемкость и сложность оценки результатов, поскольку любая модулируемая частота f учитывается в спектре дважды - по обе стороны питающего напряжения f₁, т.е. в виде f₁+f и в виде f₁ +f, чем обусловлена недостаточная точность диагностирования и отсутствие возможности увеличения числа анализируемых гармоник частоты f.

Технической задачей изобретения является создание эффективного и удобного способа диагностики, а также расширение арсенала способов диагностики силовой электрической цепи переменного тока.

Технический результат состоит в снижении трудоемкости, связанной с тем, что при совпадении линий в спектрах тока и напряжения отсутствует необходимость проверки состояния спектра на каждой характерной частоте при каждой операции диагностики каждого элемента цепи, что сильно сокращает нагрузку на персонал, особенно при большом количестве электропотребителей на объекте, реализация способа обеспечивается в режиме дистанционного диагностирования (в электрощите питания и/или управления), упрощении процедуры диагностирования (не требует снятия нагрузки) при полной автоматизации процесса диагностики, повышении точности и расширении диагностических возможностей за счет использования наиболее эффективных датчиков и проведения измерений в оптимальных условиях, обеспечивающих полную достоверность диагностической информации, расширении возможностей по контролю состояния цепи во времени и прогнозированию остаточного ресурса по нарастанию признаков нелинейности в цепи.

Возможность реализации способа и получения технического результата с помощью заявляемого способа основана на том, что наличие электрических и механических неисправностей приводит к изменениям гармонического состояния потребляемого тока при том же гармоническом составе питающего напряжения. Эти гармонические составы сравниваются между собой. Следствием указанных изменений является возникновение нелинейности цепи, сопровождающееся появлением разных частотных составляющих в спектрах тока и напряжения. Это дает возможность выявить наличие или отсутствие рассогласования спектров тока и напряжения в каждой фазе, выражающегося в присутствии в спектре тока значительной частотной составляющей, отсутствующей в спектре напряжения на этой же частоте, хотя бы для одной из фаз, что характерно для неисправностей оборудования.

Питающее напряжение не является идеально синусоидальным, поэтому в получаемых спектрах тока и напряжения присутствуют гармоники, обусловленные качеством питающего напряжения. Любая характерная частота f учитывается только в спектре тока. Развитие электрических и механических неисправностей во времени приводит к нарастанию изменений спектров и позволяет объективно планировать остаточный ресурс цепи.

Сущность изобретения состоит в том, что способ диагностики силовой электрической цепи переменного тока предусматривает, что периодически, в условиях температуры окружающей среды от минус 5 до плюс 35°С и относительной влажности не более 80% производят контрольную запись зависимостей от времени напряжения и тока по отходящим к нагрузке кабельным линиям в трех фазах, выполняемую при установившемся в течение не менее 5 мин режиме с помощью датчиков тока-датчиков Холла и омических датчиков напряжения, имеющих линейную амплитудно-частотную характеристику с допустимым отклонением от линейности не более ±3 дБ, с последующим пропусканием через фильтр низких частот с частотой среза выше наибольшей полезной частоты сигнала, далее преобразуют с помощью аналого-цифрового преобразователя полученные сигналы из аналоговой в цифровую форму и формируют с помощью вычислительных средств спектры напряжения и тока по каждой из фаз со степенью разрешения 0,01-0,2 Гц, после чего производят сравнение обоих спектров, при котором проверяют наличие или отсутствие рассогласования спектров тока и напряжения в каждой фазе, выражающегося в присутствии в спектре тока значительной частотной составляющей, отсутствующей в спектре напряжения на этой же частоте, хотя бы для одной из фаз, и в этом случае фиксируют наличие нелинейного элемента в электрической сети, при каждой очередной контрольной записи сравнивают вновь полученное рассогласование спектров с предыдущим и при выявлении нарастания рассогласования во времени, хотя бы для одной из фаз, делают вывод о том, что наличие нелинейного элемента обусловлено развитием неисправности, а при отсутствии изменений рассогласования делают вывод о том, что наличие нелинейного элемента обусловлено не представляющими опасности нелинейными параметрами цепи, обусловленными ее составом, и конфигурацией.

Предпочтительно каждую запись значений напряжения и тока производят с интервалом не более 6 месяцев в течение периода времени, находящегося в интервале 15-525 с, выполняют предпочтительно с разрешением по частоте не менее 0,01-0,2 Гц, с помощью датчиков тока и напряжения с линейной амплитудно-частотной характеристикой, предпочтительно в диапазоне частот от 0 до 10 кГц в целях снижения эффекта растекания спектра при выполнении спектрального анализа используются оконные функции, выделяют анализируемые частоты с помощью фильтра низких частот ниже частоты Найквиста, преобразование из аналоговой в цифровую форму осуществляют с помощью АЦП с диапазоном не менее 14 разрядов, спектральный анализ и сравнение амплитуд производят преимущественно в области амплитуд от минус 100 дБ до 0 дБ путем выявления пиков (амплитуд напряжения и/или тока) на характерных частотах, характер неисправности выявляют путем сравнения значений амплитуд тока на характерных частотах.

На фиг.1 изображены примеры диаграмм спектра тока и спектра напряжения, фаза А, на фиг.2 изображены примеры диаграмм спектра тока и спектра напряжения, фаза В, на фиг.3 изображены примеры диаграмм спектра тока и спектра напряжения, фаза С, на фиг.4 изображены другие примеры диаграмм спектра тока и спектра напряжения, фаза А, на фиг.5 изображены другие примеры диаграмм спектра тока и спектра напряжения, фаза В, на фиг.6 изображены другие примеры диаграмм спектра тока и спектра напряжения, фаза С.

На чертежах фиг.1-6, содержащих частотные характеристики, диаграммы спектров тока находятся вверху, диаграммы спектров напряжения - внизу, амплитуды сигналов откладываются по вертикали, частоты - по горизонтали.

Спектры фиг.4-6 записаны после истечения установленного срока, например, через 6 месяцев после записи спектров по фиг.1-3.

Измерительный комплекс для реализации способа, как правило, содержит следующее оборудование: портативный компьютер, аналогово-цифровой преобразователь, датчики тока - датчики Холла и омические датчики напряжения; все датчики имеют линейную амплитудно-частотную характеристику с допустимым отклонением от линейности не более ±3 дБ, подключенные к отходящим к нагрузке кабельным линиям в трех фазах, низкочастотный фильтр (кондиционер сигнала). Нагрузка представляет собой нагрузку рассматриваемой кабельной линии (цепи).

Необходимость наличия указанного фильтра с частотой среза выше наибольшей полезной частоты сигнала для недопущения появления ложных спектров обусловлена тем, что получаемые результаты измерения представляют собой не непрерывную функцию, а выборку значений, полученных с определенным шагом аргумента по времени - . Величину, обратную , называют частотой дискретизации. Половину частоты дискретизации называют частотой Найквиста.

Низкочастотный фильтр должен отфильтровывать (не пропускать) сигналы с частотой, меньшей частоты Найквиста, искажающие диагностическую спектрограмму, т.е. предотвращать возникновение ложных сигналов.

Запись спектров производится в условиях температуры окружающей среды от минус 5 до плюс 35°С и относительной влажности не более 80%.

Диагностирование оборудования производится путем выполнения и последующего анализа данных следующих измерений, как правило, не реже, чем раз в 6 месяцев.

Во всех случаях производится мониторинг и спектральный анализ потребляемого тока нагрузки кабельной линии.

Для этого производят в трех фазах запись зависимостей от времени напряжения и тока в линии питания в течение достаточного интервала времени, предпочтительно в пределах 15-525 с, несколько раз производят запись значений тока и напряжения в цепи, с разрешением по частоте не менее 0,01-0,2 Гц, с помощью датчиков Холла и омических датчиков напряжения с линейной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне частот от 0 до 10 кГц, подключенного к входу фильтра.

Эту запись проводят неоднократно, как правило, пятикратно. В процессе записи выделяют анализируемые характерные частоты с помощью фильтра низких частот (не пропускающего частоты выше частоты Найквиста).

Для проведения диагностики преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с диапазоном не менее 14 разрядов, а затем производят спектральный анализ полученного сигнала и спектры, полученные при пяти измерениях, усредняют с помощью ЭВМ. Формируют с помощью вычислительных средств спектры тока и напряжения, производят сравнение обоих спектров (спектральный анализ). Спектральный анализ и сравнение амплитуд производят преимущественно в области амплитуд от минус 100 дБ до 0 дБ путем выявления пиков (амплитуд напряжения и/или тока) на характерных частотах.

При сравнении проверяют наличие или отсутствие рассогласования спектров тока и напряжения в каждой фазе, выражающегося в присутствии в спектре тока значительной частотной составляющей, отсутствующей в спектре напряжения на этой же частоте, хотя бы для одной из фаз. В последнем случае фиксируют наличие нелинейного элемента в электрической сети. При каждой очередной контрольной записи, проводимой с интервалом не более 6 месяцев, сравнивают вновь полученное рассогласование спектров с предыдущим и при выявлении нарастания рассогласования во времени, хотя бы для одной из фаз, делают вывод о том, что наличие нелинейного элемента обусловлено развитием неисправности. Характер неисправности выявляют путем сравнения значений амплитуд тока на характерных частотах, приведенных на фиг.1-6.

В качестве примера рассматривается две составляющих в области амплитуд от минус 100 дБ до 0 дБ в каждом из приведенных на фиг.1-6 спектров.

На фиг.1 видно, что в фазе А в спектре тока на частоте 54 Гц присутствует значительная частотная составляющая (значение - 41,74), отсутствующая в спектре напряжения на этой же частоте. Данное рассогласование спектров подлежит контролю через установленный интервал времени (6 месяцев). Частотная составляющая на частоте 42 Гц присутствует как в спектре тока, так и в спектре напряжения и в качестве рассогласования не рассматривается.

На фиг.2 видно, что в фазе В в спектре тока на частоте 54 Гц присутствует значительная частотная составляющая (значение - 42,15), отсутствующая в спектре напряжения на этой же частоте. Данное рассогласование спектров подлежит контролю через установленный интервал времени (6 месяцев). Частотная составляющая на частоте 42 Гц присутствует как в спектре тока, так и в спектре напряжения и в качестве рассогласования не рассматривается.

На фиг.3 видно, что в фазе С в спектре тока на частоте 54 Гц присутствует значительная частотная составляющая (значение - 41,94), отсутствующая в спектре напряжения на этой же частоте. Данное рассогласование спектров подлежит контролю через установленный интервал времени (6 месяцев). Частотная составляющая на частоте 42 Гц присутствует как в спектре тока, так и в спектре напряжения и в качестве рассогласования не рассматривается.

На фиг.4 видно, что в фазе А в спектре тока частотная составляющая на частоте 54 Гц увеличилась до значения -30,74 и, следовательно, является признаком неисправности.

На фиг.5 видно, что в фазе В в спектре тока частотная составляющая на частоте 54 Гц увеличилась до значения -30,25 и, следовательно, является признаком неисправности.

На фиг.6 видно, что в фазе С в спектре тока частотная составляющая на частоте 54 Гц увеличилась до значения -26,94 и, следовательно, является признаком неисправности.

Если бы изменение рассогласования отсутствовало, делался бы вывод о том, что наличие нелинейного элемента обусловлено не представляющими опасности нелинейными параметрами цепи, обусловленными ее составом и конфигурацией,

Регулярное проведение измерений (мониторинг) оборудования в стабильных условиях и в установившемся режиме позволяет выявлять неисправности на ранней стадии возникновения, отслеживать динамику их развития, определять остаточный ресурс оборудования и планировать рациональные сроки проведения ремонтов.

Характер неисправности в частных случаях может выявляться путем сравнения значений амплитуд тока на характерных частотах.

Расчет частот и обнаружение в спектре тока характерных гармоник производится преимущественно автоматически.

В результате изобретения создан эффективный и удобный способ диагностики, а также расширен арсенал способов диагностики силовой электрической цепи переменного тока.

При этом снижена трудоемкость, связанная с тем, что при совпадении линий в спектрах тока и напряжения отсутствует необходимость проверки состояния спектра на каждой характерной частоте при каждой операции диагностики каждого элемента цепи, что сильно сокращает нагрузку на персонал, особенно при большом количестве электропотребителей на объекте, реализация способа обеспечивается в режиме дистанционного диагностирования (в электрощите питания и/или управления), упрощена процедура диагностирования (не требует снятия нагрузки) при полной автоматизации процесса диагностики, повышена точность и расширены диагностические возможности за счет использования наиболее эффективных датчиков и проведения измерений в оптимальных условиях, обеспечивающих полную достоверность диагностической информации, расширена возможность по контролю состояния цепи во времени и прогнозированию остаточного ресурса по нарастанию признаков нелинейности в цепи.