Технические науки. Электротехника и радиоэлектроника..

УДК 621.315.6

К.С. Щенникова, Т.А. Несенюк

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования  «Уральский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС), Екатеринбург, Россия.

«Применение RFID – технологий для диагностики ограничителей перенапряжений»

Ключевые слова:

Ограничитель перенапряжения, неисправность, RFID- технологии.

Аннотация

В данной статье рассмотрены причины снижения интереса к фарфоровым покрышкам. Оцениваются преимущества и недостатки фарфоровой и полимерной изоляции с учетом конструктивного исполнения, характеристик изоляционного материала, эксплуатационных факторов, весогабаритных показателей и особенностей  работы ограничителей перенапряжений (ОПН).  Приведено сравнение современных устройств контроля и диагностики ограничителей перенапряжения. Авторами предлагается применить радиочастотные RFID-технологий передачи информации для выявления неисправностей в устройствах защит от перенапряжений. Для осуществления данного способа, в ограничитель перенапряжений предлагается встроить пассивную RFID-метку для идентификации и дальнейшего контроля изоляции. Данное решение позволит эксплуатационным организациям при обходах и осмотрах диагностировать и определять место неисправности бесконтактным методом и своевременно реагировать на отказ оборудования. Предложен алгоритм  действий оперативного персонала для диагностики ограничителей перенапряжения.

Целью данной работы является сравнение методов своевременного обнаружения неисправностей ограничителей перенапряжения и применение RFID - технологий.

 

Фарфор или полимер?

В зависимости от материала изоляции ограничители перенапряжения подразделяются на фарфоровые и полимерные.  Почему в настоящее время по объему производства заметное предпочтение отдается  ОПН с полимерной изоляцией, а не с фарфоровой?      

            Данные концерна «Ceram», европейского лидера в области производства электротехнического фарфора, подтверждают существенное снижение интереса потребителей как к оболочкам, так и к фарфоровым изоляторам, что весьма важно, поскольку полимерные изоляторы в 4-5 раз дороже фарфоровых [1]. Снижение потребности в фарфоровой изоляции связано с тем, что ОПН с полимерной внешней изоляцией обладают высокой гидрофобностью, большей взрывобезопасностью, чем фарфоровые ОПН (рисунок 1), вандалоустойчивостью , малым весом, лучшими электрическими и разрядными характеристиками, значительным упрощением монтажа и транспортировки, стойкостью к ударным и вибрационным воздействиям, отсутствием боя при перевозках, способностью работать в условиях естественных и промышленных загрязнений и т.д. Кроме того, малый вес делает возможным не только опорное, но и подвесное исполнение аппарата в сетях до 750 кВ, что расширяет возможности при проектировании и установке (можно устанавливать аппараты на опорах воздушных линий, порталах ОРУ и т.д.)[1,2,3].

При взрыве аппарата с фарфоровой изоляцией разрушающее воздействие производят осколки фарфоровой покрышки, разлетающиеся во все стороны с большой скоростью. Чтобы избежать столь тяжелых последствий в фарфоровые ОПН устанавливают клапаны или мембраны, отводящие избыточное давление газов. Такие устройства либо имеют сложную дорогостоящую конструкцию, либо малоэффективны. В случае полимерной изоляции главной опасности – фарфоровых осколков – не существует. При возникновении аварийного дугового перекрытия под действием избыточного давления силиконовая покрышка разрывается, не повреждая окружающее оборудование (рисунок.1) [1].

Рисунок 1 -  Ограничитель перенапряжений в полимерной покрышке до и после испытаний на взрывобезопасность.

Проводимые исследования и испытания показали, что ограничители в полимерной покрышке (ПП) имеют безусловное преимущество по тепловым характеристикам перед ОПН в в фарфоровых покрышках (ФП) ( рисунок 2,а); рисунок 2,б))[4] .

 

           

      а)                                                 б)

Подпись: в)).

  Рисунок 2 – Процессы при рабочих испытаниях, а) тепловое поле в фарфоровой (а)  и полимерной (б) покрышках;

Рисунок 2- Кривые охлаждения варисторов после испытаний. (в) 

 

На загрязненной и увлажненной силиконовой поверхности не образуются электролитические дорожки, и токи утечки, таким образом, в десятки раз меньше, чем на гидрофильных фарфоровых поверхностях. Также, при микроповреждениях, незаметных при визуальном осмотре (трещины, сколы и т.д.) качество фарфоровой изоляции резко ухудшается. Данное свойство является определяющим для оценки эффективности использования на линиях электропередач полимерных изоляторов, при этом их надежность в 1000 раз выше, чем у фарфоровых [1].

При этом существует ряд недостатков ОПН с полимерной изоляцией. Ограничитель перенапряжений в полимерной покрышке (ПП) подвергается более существенному воздействию сезонных колебаний температуры окружающей среды, так как внутреннее пространство, заполненное низкомолекулярным каучуком, имеет значительно отличающийся коэффициент теплового расширения от материала покрышки. Это может привести к деформации ребер покрышки и снижению электрической прочности внешней изоляции. Поэтому применение ограничителей с полимерной изоляцией для тропического и холодного климата нежелательно[4].

Особенно важен правильный механический расчет ограничителей в полимерной изоляции, поскольку ограничители в ПП устроены так, что механические нагрузки, прикладываемые к аппарату, передаются на варисторные блоки. Неправильный механический расчет может привести к растрескиванию варисторов и последующему выходу из строя всего защитного устройства[4].

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что выбор остается за энергетическими обслуживающими компаниями. Независимо от исполнения ОПН, требуется диагностика данного оборудования для предотвращения аварий, аномальных режимов работы и других нежелательных явлений, вызванных неисправностью.

Устройства диагностики ограничителей перенапряжений.

Поиск неисправного ОПН занимает большое количество времени.  В большинстве случаев, оценку состояния ОПН производят визуальным осмотром либо разборкой ОПН и проверкой нормируемых электрических параметров резисторов. В связи со сложностью визуального осмотра, линия, защищаемая от перенапряжений, может оказаться под угрозой. Кроме того, согласно инструкции ЦЭ-936, периодичность текущего ремонта и межремонтных испытаний  ограничителей перенапряжений составляет:  для ОПН переменного тока - 1 раз в 4 года, а для ОПН постоянного тока – 1 раз в год[5]. Этой периодичности недостаточно для контроля за состоянием устройств защиты от перенапряжений.

В настоящее время ведутся разработки в области диагностирования ОПН. Данные о существующих устройствах диагностики ограничителей перенапряжения приведены в таблице 1[6,7,8,9].

 

Таблица 1 – Устройства диагностики ОПН.

Наименование прибора

Фирма  производитель (страна)

Описание и принцип действия

Недостатки

Нелинейные ОПН с индикаторами неисправности (полимерный поясок)

(Рисунок 3,а))

Dervasil, Группа SICAME

(Франция)

Под воздействием тепла, выделяющегося при выходе ОПН из строя, происходит перегорание полимерного пояска и его падение на землю. Отсутствие индикатора показывает на неисправность ОПН.

В отдельных случаях, падения индикатора может не произойти.

Нелинейные ОПН с индикаторами неисправности  (ремешок фиксатор с красным флажком)

(Рисунок 3,б))

Dervasil, Группа SICAME

(Франция)

Под воздействием тепла, выделяющегося при выходе ОПН из строя, происходит перегорание ремешка фиксатора и выброс ярко-красного флажка, сигнализирующего о неисправности ОПН.

Перегорание ремешка фиксатора может не произойти.

Счетчик импульсов  EXCOUNT-А

 

АББ

Линейка устройств EXCOUNT

(Швейцария)

Проверяет конкретную ЛЭП или фазу на наличие чрезмерного количества перенапряжений, вызывающих срабатывание ОПН.

Не измеряет амплитуду импульсов тока, активную составляющую тока утечки и полный ток утечки.

Счетчик импульсов перенапряжения  EXCOUNT-I

АББ

Линейка устройств EXCOUNT

(Швейцария)

Регистрирует импульс перенапряжения при каждом разряде тока свыше 10 А на ОПН. Общее количество импульсов непрерывно указывается на электронном дисплее. Измеряет полный ток утечки.

Не ведет замер активной составляющей тока утечки  и величины импульсов тока.

Система онлайн-мониторинга состояния ограничителей перенапряжения EXCOUNT-II.

АББ

Линейка устройств EXCOUNT

(Швейцария)

На каждый ОПН устанавливается датчик, который регистрирует общее количество разрядов, амплитуду, дату и время возникновения перенапряжений, а также ток утечки через ОПН. Измерения считываются удаленно, с помощью портативного прибора.

Требует специальной программы обработки данных. Высокая стоимость.

ACI (Индикатор состояний ОПН)

 

Siemens

(Германия)

Показывает состояние ОПН, основываясь на анализе 3-ей гармоники тока утечки.

Измеряет только 3 гармонику тока утечки. Отсутствует удаленная индикация. Не регистрирует число импульсов тока.

ACM (Устройство мониторинга ОПН)

Siemens

(Германия)

 

Измеряет общий ток утечки  и определяет активную составляющую тока утечки путем анализа 3-ей гармоники тока утечки, а также регистрирует импульсы тока, их общее число, уровень и длительность.

У базовой версии отсутствует удаленная индикация.

Счетчик импульсов 3EX5 030

 

Siemens

(Германия)

 

Интегрируется в линию заземления ОПН и регистрирует срабатывания ОПН по мере их возникновения.

Измеряет только число импульсов тока.

Датчик 3EX5 060

Siemens

(Германия)

Подсчитывает число срабатываний ОПН и постоянно измеряет ток утечки. Дисплей отображает зарегистрированные датчиком срабатывания ОПН и ток утечки.

Не измеряет ток 3 гармоники, удаленная индикация только проводная.

Контрольный искровой промежуток

Siemens

(Германия)

Подсчитывает число срабатываний ОПН и позволяет оценить значение проходящего через ОПН тока по характерным следам искры.

Измеряет только число импульсов тока.

 

Рисунок 3,а) -  Конструкция ОПН с полимерным пояском.

Рисунок 3,б) - Конструкция ОПН с индикатором в виде ярко-красного флажка

 

           Рассмотренные устройства контроля за состоянием ограничителей перенапряжения позволяют осуществлять мониторинг и диагностику ОПН. Авторы статьи предлагают не только проводить диагностику устройств защиты от перенапряжений, но и осуществлять индикацию каждого ОПН с помощью RFID - технологий.

Применение RFID−технологий для поиска неисправных ОПН.

            При поиске неисправных ОПН предлагается применить  RFID-технологии. Радиочастотная идентификация позволяет определять на расстоянии наличие объектов, требующих учета, и их местоположение,  может содержать определенные параметры и сохранять информацию об истории использования закодированных предметов в  персональном компьютере дежурного персонала, энергодиспетчера.

Для работы RFID-устройства на каждый ОПН необходимо закрепить пассивную RFID-метку, с помощью которой можно будет идентифицировать неисправный ограничитель перенапряжений. RFID-устройство состоит из трех основных компонентов: считывателя, меток и компьютерной системы обработки данных.

Считыватель RFID-устройства – это портативный прибор, работающий дистанционно. Он подключается к меткам по радиосвязи, считывает данные с меток и отправляет в базы компьютерной системы. Далее микропроцессор проверяет и декодирует данные для последующей передачи.  RFID- считыватель состоит из приемопередающего устройства и антенны. Он может находиться как у оперативного персонала в виде мобильного переносного устройства, так и крепиться на передвижном транспортном средстве. С помощью специального программного обеспечения, установленного на считывателе можно воспроизводить необходимые сведения о закрепленных на ОПН метках, диагностировать ОПН, вовремя выявлять причину неисправности, сокращать время на поиск и ликвидацию аномальной ситуации[10].

 К основным компонентам метки, относят интегральную микросхему, управляющую связью со считывателем через антенну. Интегральная микросхема (чип) имеет память, которая содержит идентификационный код. Нет необходимости в контакте или прямой видимости между считывателем и меткой [10].

При диагностировании ограничителей перенапряжения наиболее эффективно использовать пассивные метки, так как они не требуют дополнительного источника питания, а получают энергию от сигнала считывателя. При проходе через метку тока определенной величины, она не будет реагировать и соответственно откликаться на сигнал считывателя. Таким образом можно идентифицировать какой именно ОПН неисправен, а по величине тока, проходящего через метку, можно определить причины, вызывающие отказ ограничителя перенапряжений.

Для индикации ОПН пассивные RFID – метки должны предварительно программироваться. Авторы предлагают задавать имя метки по их месту установки. Например, по месту расположения в распределительном устройстве тяговой или трансформаторной подстанции (РУ, ввод, фаза), или по месту опоры на участке линий электропередач (км, № опоры, фаза).

Алгоритм действий оперативного персонала при работе со считывателем и пассивными метками:

Включить считыватель; выбрать файл с диагностируемым участком; открыть базу данных с объектами диагностики; нажать кнопку включения (антенну считывателя направить в сторону пассивных меток); окончить осмотр, отключить кнопку считывателя; из списка, отображенного на считывателе выбрать «не ответившие» ОПН; записать в «журнал осмотров и неисправностей» либо в «оперативный журнал» номера ОПН, выбранные считывателем.

Использование RFID -  технологий позволит существенно упростить диагностику в ограничителях перенапряжений, вовремя выявлять и устранять неисправности ОПН,  предотвращать аварийное состояние линии электропередачи, сократить время на поиск неисправности и ее ликвидацию.

 

Литература:

1.      Кабанов С.О. О преимуществах силиконовой изоляции. 2002 г.(2 стр.) [Электронный ресурс]: URL: http://www.zeu.ru/articles/doc4.doc  (дата обращения: 27.02.2015.)

2.      Завод энергозащитных устройств. Ограничители перенапряжения - надежные ОПН от производителя [Электронный ресурс]: URL: http://opnzeu.ru/ (дата обращения: 27.02.2015)

3.      БалтЭнерго , производство и продажа ОПНп, КТП. [Электронный ресурс]: URL: http://baltenergo.spb.ru/articles_2.php (дата обращения: 27.02.2015.)

4.      Демьяненко К.Б., Титков В.В. Сравнение основных технических характеристик ОПН в фарфоровой и полимерной изоляции производства, Журнал «ЭЛЕКТРО» № 2/2007 [Электронный ресурс]: URL: http://www.elektro-journal.ru (дата обращения 1.03.2015)

5.      ЦЭ-936. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций. (дата обращения 1.03.2015)

6.      Сугробов Н.А. Нелинейные ограничители перенапряжения производства Dervasil, группа SICAME, журнал Электротехнический рынок  №5 (11) май 2007 [Электронный ресурс]: URL: http://market.elec.ru/nomer/10/dervasil/ (дата обращения 2.03.2015)

7.      EXCOUNT - приборы контроля ОПН  [Электронный ресурс]: URL: http://forca.ru/stati/podstancii/excount-pribory-kontrolya-opn.html

8.      Высоковольтные ограничители перенапряжения нелинейные - АББ. Руководство для покупателя [Электронный ресурс]: URL:  http://www05.abb.com (дата обращения 2.03.2015)

9.      Полный спектр решений по мониторингу ограничителей перенапряжения . Высоконадежный мониторинг оборудования с дополнительными преимуществами . [Электронный ресурс]: URL: http://www.energy.siemens.com (дата обращения 2.03.2015)

10.  Несенюк Т.А. «Применение RFID – технологий для поиска неисправной изоляции», журнал «Транспорт Урала» №2(37),2013г. Стр.72-76 [Электронный ресурс]: URL: http://www.usurt.ru/transporturala/arxiv/037_1_20_2_1.pdf (дата обращения 10.03.2015)