Принципы неисправностей и онлайн-диагностика вторичных цепей электронных трансформаторов тока

1 Принцип и роль электронных трансформаторов тока
1.1 Принцип работы ЭТТ

Электронный трансформатор тока (ЭТТ) является ключевым устройством для управления безопасной работой энергосистем, преобразуя большие токи в управляемые малые токовые сигналы для измерения и контроля. В отличие от традиционных трансформаторов (которые полагаются на прямое магнитное взаимодействие между первичной и вторичной обмотками), ЭТТ используют датчики (например, датчики Холла) для обнаружения изменений магнитного поля от первичной обмотки. Эти датчики выдают аналоговые сигналы (пропорциональные первичному току) для обработки электронными схемами (усиление, фильтрация или оцифровка). Современные ЭТТ часто выдают цифровые сигналы, которые могут быть использованы напрямую системами защиты, измерения и контроля. ЭТТ превосходят традиционные электромагнитные трансформаторы по точности, динамическому диапазону и скорости отклика, при этом они меньше, легче и обеспечивают продвинутую обработку данных и коммуникацию.

1.2 Роль ЭТТ в энергосистемах

ЭТТ предоставляют высокоточные измерения тока, необходимые для мониторинга, контроля и защиты энергосистем (например, предотвращение перегрузок и коротких замыканий). Они обеспечивают безопасность оборудования и персонала, а также снижают количество отключений электроэнергии. Для учета и выставления счетов точность ЭТТ гарантирует справедливое ценообразование электроэнергии на высоковольтных и больших токовых линиях. Точные данные также помогают оптимизировать эффективность и стабильность системы.

1.3 Структура вторичной цепи

Вторичная цепь ЭТТ (основной компонент) включает датчики (например, датчики Холла), схемы обработки сигналов, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и интерфейсы связи. Компоненты работают вместе для точного захвата и передачи сигналов. Современные ЭТТ оснащены функцией самодиагностики для мониторинга производительности и неисправностей, что позволяет адаптироваться к более умным требованиям энергосистем.

2 Типы неисправностей вторичной цепи в ЭТТ
2.1 Неисправности разрыва цепи

Вызываются обрывом проводов, ослабленными соединениями или старением изоляции, неисправности разрыва цепи нарушают поток тока, приводя к аномальным (например, нулевым или низким) измерениям. Это создает риск неправильных действий защиты и контроля, угрожая безопасности системы.

2.2 Короткие замыкания

Происходят, когда непреднамеренные соединения проводников (например, повреждение изоляции) вызывают резкие скачки тока, что может привести к перегреву и пожару оборудования. Они дестабилизируют системы, потенциально повреждая устройства или вызывая сбои в работе защиты.

2.3 Замыкания на землю

Появляются вследствие неправильного заземления вторичной цепи (например, из-за повреждения изоляции). Они изменяют пути тока, вызывая ошибки измерений, сбои в работе защиты или поражения электрическим током (опасно при обслуживании).

2.4 Перегрузки

Происходят, когда ток превышает проектную мощность (например, из-за аномалий в системе). Перегрузки вызывают перегрев компонентов, деградацию изоляции или выход оборудования из строя. Идентифицируются с помощью мониторинга тока и температуры, они создают риск долгосрочного повреждения системы.

2.5 Помехи электрического шума

Из внешних или внутренних источников (например, ЭМП, РЧП), шум искажает сигналы, вызывая ошибки измерений или неправильные действия систем защиты (например, ненужные отключения).

2.6 Неисправности, вызванные температурой

Экстремальные температуры нарушают работу: высокая температура ухудшает состояние полупроводников и изоляции (увеличивая риск короткого замыкания); низкая температура повреждает компоненты. Это вызывает ошибки измерений или сбои в работе защиты.

2.7 Неисправности, вызванные коррозией и старением

Постепенная деградация компонентов (проводов, изоляции) из-за воздействия окружающей среды (например, влажности, химических веществ) снижает электрические характеристики, увеличивая риск короткого замыкания и замыкания на землю.

3 Методы онлайн-диагностики неисправностей вторичной цепи ЭТТ
3.1 Захват сигнала

Основывается на датчиках (например, датчиках Холла и трансформаторах тока) и АЦП. Датчики Холла измеряют ток бесконтактно, обеспечивая безопасность и точность. АЦП преобразуют аналоговые сигналы в цифровую форму для обработки. Высокоскоростные АЦП захватывают незначительные изменения сигналов, позволяя быстро обнаруживать неисправности.

3.2 Анализ во временной области

Включает анализ формы сигнала и статистический анализ. Анализ формы сигнала проверяет наличие нерегулярностей (например, асимметрии или скачков, указывающих на отказ компонентов). Статистический анализ (например, среднее значение и стандартное отклонение) определяет стабильность и распределение сигнала, выявляя колебания, вызванные неисправностями.

3.3 Обнаружение неисправностей на основе модели

Обнаружение пороговых значений использует предварительно установленные границы для срабатывания тревоги при обнаружении аномальных сигналов (на основе исторических данных и экспертных знаний). Сравнение моделей (продвинутый метод) сравнивает реальные данные с моделью "здоровой" системы, выявляя отклонения для точной диагностики неисправностей.

3.4 Локализация неисправностей на основе знаний

Анализ дерева неисправностей (FTA) отображает логику неисправностей для выявления корневых причин путем иерархического анализа под-неисправностей. Экспертные системы (имитирующие человеческую экспертизу) используют правила (исторические данные и предыдущие знания) для точной локализации неисправностей, обрабатывая сложные сценарии.

3.5 Тепловизионный мониторинг

Инфракрасные тепловизоры обнаруживают аномальное тепло (например, от перегрузок или старения изоляции) в ЭТТ. Безопасный и в реальном времени, этот метод позволяет диагностировать неисправности без прерывания работы. В сочетании с другими методами он улучшает точность (устраняя ограничения, такие как не связанные с температурой неисправности).

Ключевые замечания

ЭТТ предлагают преимущества по сравнению с традиционными трансформаторами, но сталкиваются с неисправностями вторичной цепи (например, разрывы и короткие замыкания, помехи). Онлайн-диагностика (захват сигнала, анализ во временной области, методы на основе модели и знаний, тепловизионный мониторинг) обеспечивает надежную работу, адаптируясь к современным требованиям энергосистем.