Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Актуальность повышения достоверности технического диагностирования и задачи исследований энергетических объектов потребителей сельских районов
1.1. Тенденции развития электрификации сельского хозяйства 16
1.2. Особенности электрификации объектов сельских районов на примере Северного региона 19
1.3. Актуальность совершенствования методов технической диагностики для оценки реального состояния энергетических объектов 22
1.4. Роль достоверности технического диагностирования оборудования энергохозяйств потребителей сельских районов 29
1.5. Характеристика тепловизионного оборудования, используемого при тепловизионной диагностике 34
1.6. Объекты испытаний и методики тепловизионного контроля, применяемые при техническом обслуживании систем энергообеспечения АПК... 37
1.7. Специфика и потенциальные возможности тепловизионной диагностики как метода технической диагностики 45
1.8. Цели и задачи исследования по повышению достоверности технического диагностирования методом тепловизионной диагностики 49
ГЛАВА II. Теоретические предпосылки для повышения достоверности технического диагностирования оборудования методом тепловизионной диагностики
2.1. Обзор факторов и диагностических параметров, имеющих значение для развития метода тепловизионной диагностики 57
2.2. Особенности учета процесса теплопередачи через различные среды при расчетах коэффициентов теплоотдачи и величины тепловых потоков от поверхности энергетического оборудования 61
2.3. Особенности алгоритмов, описывающих зависимости теплофизиче-ских параметров воздуха и трансформаторного масла, для расчета коэффициентов теплоотдачи и величины тепловых потоков 68
2.4. Алгоритмы применения метода тепловизионной диагностики при исследовании неравновесных тепловых процессов 72
2.5. Проверка методик оценки коэффициентов теплоотдачи путем сравнения результатов расчета с литературными данными. 75
2.6. Результаты испытаний для подтверждения возможности метода дистанционной оценки тепловых потоков энергетического оборудования 83
2.7. Проблемы оценки тепловых потоков для повышения достоверности технического диагностирования оборудования методом тепловизионной диагностики 90
ГЛАВА III. Обоснование и разработка теоретических основ универсального комплекса диагностических моделей тепловизионной диагностики объектов 95 системы энергообеспечения
3.1. Структура и алгоритмы универсального комплекса диагностических моделей тепловизионной диагностики для расчета агрегированных функ- 95 ций состояния
3.2. Параметрическая идентификация диагностической модели маслона-полненных аппаратов 102
3.2.1. Маслонаполненные трансформаторы напряжения 102
3.2.2. Маслонаполненные выключатели 107
3.3. Параметрическая идентификация диагностической модели аппаратов с конденсаторным типом изоляции 108
3.3.1.Мето дика и алгоритм программы расчета тепловых потоков методом тепловизионной диагностики 108
3.3.2. Анализ адекватности диагностической модели высоковольтного ввода 113
3.3.3. Оценка влияния различных факторов эксплуатации на агрегированные функции технического состояния высоковольтных вводов 116
3.3.4. Оценка влияния различных факторов эксплуатации на агрегированные функции технического состояния трансформаторов тока... 130
3.4. Параметры модели, алгоритм программы приведения данных тепло-визионного контроля контактных соединений к единому критерию 136
3.5. Параметрическая идентификация при тепловизионном обследования силовых трансформаторов 10/6/0,4 кВ на подстанциях сельских электрических сетей 143
3.6. Параметрическая идентификация моделей тепловизионной диагностики объектов систем тепло- и энергообеспечения различного назначения 144
3.7. Особенности и перспективы использования универсального комплекса диагностических моделей тепловизионной диагностики энергетического оборудования 153
ГЛАВА IV. Анализ адекватности диагностических моделей тепловизионной диагностики в процессе производственных испытаний электротехнического оборудования для оценки его состояния и эксплуатационных режимов 156
4.1. Система проведения производственных испытаний оборудования на основе тепловизионной диагностики 156
4.1.1. Характеристика объектов, подвергнутых тепловизионной диагностике 156
4.1.2. Тепловизионная диагностика как система сопровождения оборудования по техническому состоянию 157
4.2. Оценка технического состояния элементов оборудования системы энергообеспечения предприятий АПК в процессе производственных испытаний на основе агрегированных моделей тепловизионной диагностики... 161
4.2.1. Маслонаполненные трансформаторы напряжения 161
4.2.2. Маслонаполненные выключатели 167
4.2.3. Высоковольтные вводы с конденсаторным типом изоляции... 169
4.2.4. Кабельные трассы 181
4.2.5. Элементы блоков тиристоров 188
4.2.6. Провода, шины и контактные соединения оборудования 191
4.2.7. Силовые трансформаторы сельских распределительных сетей 204
4.2.8. Электроизоляционные материалы 207
4.3. Анализ результатов производственных испытаний электротех нического оборудования 212
ГЛАВА V. Адаптация современных методов моделирования и статистики для создания методики достоверной оценки и прогнозирования показателей эксплуатационной надежности элементов оборудования по результатам тепловизионной диагностики
5.1. Разработка и описание методики статистической обработки данных на примере тепловизионной диагностики контактных соединений 216
5.2. Оценка достоверности результатов тепловизионной диагностики с помощью статистических гипотез 219
5.3. Определение величины гамма-процентного ресурса контактных соединений оборудования для оценки их долговечности и прогнозирования технического состояния на основе тепловизионной диагностики 229
5.4. Применение логико-лингвистического метода моделирования при экс-пертно-факторном анализе параметров, определяющих показатели надежности элементов оборудования распределительных подстанций . 231
5.5. Определение параметров надежности оборудования распределительных сетей 35/6 кВ сельских потребителей по данным тепловизионной диагностики 246
5.6. Определение технического состояния оборудования трансформаторных подстанций 6/0,4 кВ сельских районов 250
5.7. Методология тепловизионного обследования объектов, средств энергообеспечения при решении задач "диагноза" и "прогноза" 252
ГЛАВА VI. Анализ адекватности диагностических моделей и методик тепловизионной диагностики в процессе производственных испытаний объектов и средств энергообеспечения инфраструктуры АПК
6.1. Методы учета агрегированной функции - величины плотности теплового потока в процессе инженерного энергомониторинга 258
6.1.1. Производственные помещения предприятия АПК 259
6.1.2. Оборудование теплогенерирующих предприятий 265
6.1.3. Объекты жилищно-коммунальной и социальной сфер 270
6.2. Перспективы использования тепловизионной диагностики объектов системы энергообеспечения 278
ГЛАВА VII. Экономическая эффективность тепловизионной диагностики при оценке состояния и эксплуатационных режимов объектов системы энергообеспечения предприятий АПК
7.1. Общие сведения об оценке экономической эффективности метода тепловизионной диагностики 281
7.2. Оценка экономической эффективности применения тепловизионной диагностики на объектах системы энергообеспечения 286
7.2.1. Предприятия электрических сетей 286
7.2.2. Объекты системы энергообеспечения предприятий АПК 288
7.2.3. Объекты систем централизованного теплоснабжения 292
7.2.4. Объекты жилищно-коммунальной и социальной сфер 293
7.2.5. Кабельные трассы 295
7.3. Тепловизионная диагностика как метод энерго- и ресурсосбережения 297
Заключение 301
Библиографический список литературы 304
Приложения 336
- Актуальность совершенствования методов технической диагностики для оценки реального состояния энергетических объектов
- Особенности учета процесса теплопередачи через различные среды при расчетах коэффициентов теплоотдачи и величины тепловых потоков от поверхности энергетического оборудования
- Оценка влияния различных факторов эксплуатации на агрегированные функции технического состояния высоковольтных вводов
- Тепловизионная диагностика как система сопровождения оборудования по техническому состоянию
Введение к работе
Актуальность работы. Концепция развития электрификации сельского хозяйства, разработанная в соответствии с "Основными положениями энергетической стратегии России на период до 20 20 г.", устанавливает приоритетом повышение эффективности использования энергии в народном хозяйстве и определяет направления развития электрификации и энергетики отрасли на период до 2010 года. Стратегической задачей является формирование направлений развития энергетической базы сельского хозяйства, которые в максимальной степени способствуют эффективности сельхозпроизводства, росту его продуктивности и созданию комфортных условий жизни в сельских районах.
Сельская энергетика, являясь "базой функционирования всех отраслей, обеспечивая электромеханизацию производства и развитие социально бытовой сферы в "сельских" районах, оказывает прямое влияние на экономику сельскохозяйственного сектора и условия жизни населения районов.
Последние годы характеризуются как спадом в производстве сельскохозяйственной продукции, так и сокращением потребления и производства энергии. Наряду с распространением энергозатратных технологий и устаревшей техники, отсутствуют организационные и экономические механизмов реализации мероприятий по энергосбережению. С учетом прогнозных показателей развития электрификации на период до 2010 года можно ожидать увеличение потребности в электроэнергии в 1,3 раза, удвоение коммунально-бытовой нагрузки. При увеличении производственных мощностей планируется увеличение нагрузки на электрические сети и оборудование объектов, ЖКХ и социальной сфер. В то же время, оборудование объектов системы энергообеспечения предприятий АПК имеет чрезвычайно большой износ, составляющий для электрических систем более 30 %.
Приведенные обобщенные оценки ставят перед сельской энергетикой триединую задачу уменьшения энергоемкости продукции, увеличения энерговооруженности труда и обеспечения надежности энергоснабжения.
Надежность, электробезопасность и эффективность систем энергообеспечения потребителей АПК являются важнейшими факторами, оказывающими влияние на экономические показатели Российской Федерации и связанными со своевременным и качественным обеспечением технического обслуживания, планово-предупредительным ремонтом.
Поэтому наряду с совершенствованием систем энергоснабжения, созданием сетей нового поколения, особое значение имеет разработка мероприятий по совершенствованию методов диагностики с целью определения и увеличения показателей надежности объектов электроснабжения, выявления и локализации (для последующего ремонта и реконструкции) повреждений оборудования, участков с повышенными тепловыми потерями, оценки величины сверхнормативных тепловых потерь объектов теплоэнергетики и теплоснабжения, ограждений зданий производственного назначения, жилищно-коммунальной и социальной сфер.
Актуальным является освоение и реализация системы эффективной эксплуатации энергетического оборудования с учетом технического состояния, поэтому на первый план выходят методы диагностики, позволяющие проводить дистанционное обследование в процессе эксплуатации под нагрузкой.
Подобному требованию диагностики отвечает метод тепловизионного контроля, позволяющий в силу своих функциональных особенностей проводить дистанционное техническое диагностирование объектов энергетики (независимо от места их локализации, площади и протяженности) непосредственно в процессе эксплуатации (под рабочим напряжением, тепловой нагрузкой, в присутствии энергоносителя), расширяющий возможности традиционных методов испытаний, потенциал которых при решении задач энерго- и ресурсосбережения в значительной мере исчерпан.
Целью исследования является разработка моделей, алгоритмов и способов дистанционной оценки плотности теплового потока на основе метода теп-ловизионной диагностики для повышения достоверности энергоаудита.
Достижение цели потребовало решения следующих основных задач:
1. Выявление и обоснование необходимости введения в научный анализ нового агрегированного параметра тепловизионнои диагностики - величины плотности теплового потока, учет которого увеличивает достоверность процесса диагностики, позволяя решать не только задачи технической диагностики, но и оценивать энергоэффективную работу оборудования и объектов энергообеспечения.
2. Развить теоретические положения метода тепловизионнои диагностики, учитывающие совокупность диагностических факторов, определяющих процессы теплопередачи и воздействующих на диагностические параметры, разработать физические методы получения объективной информации о состоянии диагностируемых объектов систем энергообеспечения путем расчета агрегированных функций технического состояния.
3. Обосновать и разработать научно-методические основы универсального комплекса диагностических моделей, алгоритмов и программного обеспечения многоцелевого применения для создания методик, рассматриваемых как система поддержки принятия экспертных решений при проведении тепловизионнои диагностики объектов системы энергообеспечения.
4. Экспериментальная проверка основных теоретических результатов в процессе тепловизионнои диагностики энергетического оборудования, средств энергообеспечения АПК при установлении их технического состояния и эксплуатационных режимов на основе комплекса диагностических моделей.
5. Разработать новые способы тепловизионнои диагностики для оценки состояния объектов и определения теплофизических параметров материалов при равновесных и неравновесных тепловых процессах.
6. Адаптировать современные методы моделирования и статистической обработки данных для создания инженерной методики достоверной оценки и прогнозирования показателей эксплуатационной надежности оборудования и его элементов по результатам испытаний тепловизионнои диагностики.
7. Провести производственные испытания и применить методику статистической обработки данных для расчета эксплуатационных показателей на дежности, выявить влияние факторов, определяющих показатели надежности оборудования и его элементов.
8. Оценить экономическую эффективность метода тепловизионной диагностики при оценке состояния и эксплуатационных режимов элементов системы энергообеспечения.
Предметом исследования является повышение достоверности технического диагностирования энергетического оборудования объектов АПК методом тепловизионной диагностики.
Объектами исследования являются энергетическое оборудование, комплексы систем энергообеспечения предприятий АПК.
Базовые методологические научные работы. В основу настоящего исследования положены наиболее значимые работы по отраслевой энергетике ученых Бородина И.Ф., Стребкова Д.С., Карпова В.Н., Косоухова Ф.Д., Лямцо-ва А.К., Мартыненко И.И., Перовой М.Б., Растимешина С.А., Расстригина С.А., Рудобашты СП., Русана В.И., Саплина Л.А., Драганова Б.Х, Будзко И.А., Лещинской Т.Б., Гессена В.Ю, Пястолова А.А., Шабада М.А. и других.
Методы исследования. Методологической основой исследования являются положения теории, методов научных областей: электроснабжения сельского хозяйства, стационарной и нестационарной теплопередачи, теплообмена, распространения и регистрации инфракрасного излучения, диагностики энергетического оборудования, тепло- и электрофизики материалов, математической статистики.
Достоверность и обоснованность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, обеспечивается использованием надежных методов исследования, применением точных средств измерения исследуемых величин при производственных испытаниях и подтверждается успешной эксплуатацией внедренных алгоритмов, программ и способов тепловизионной диагностики энергетических объектов АПК, моделированием процессов в реальных аппаратах, экспертизой разработанных патентов и программ ЭВМ в Роспатенте Российской Федерации.
Научная новизна диссертации заключается в том, что - теоретически обоснована возможность дистанционного определения величины плотности теплового потока от энергетического оборудования в процессе его эксплуатации на основе метода тепловизионной диагностики;
- развито направление совершенствования метода тепловизионной диагностики для энергоаудита на основе нового подхода, основанного на возможности дистанционной оценки пространственного распределения тепловых потоков энергетического оборудования;
- впервые выполнено обоснование и разработан универсальный комплекс диагностических моделей, создано программное обеспечение для оценки состояния энергетических объектов, комплексного исследования воздействующих факторов, для установления закономерностей влияния факторов на диагностические параметры тепловизионной диагностики;
- теоретически обоснованы новые разработанные способы тепловизионной диагностики оборудования и материалов при равновесном и неравновесном тепловых процессах;
- впервые разработаны и систематизированы методы статистической обработки данных, полученных в процессе тепловизионной диагностики, применимые для расчета параметров эксплуатационной надежности, прогнозирования, выявления основных факторов, определяющих показатели надежности оборудования и его элементов.
Практическая значимость работы.
1. Диагностические модели, методики расчета агрегированных функций, характеризующих состояние объектов, алгоритмы программ могут быть использованы при дальнейшем совершенствовании программного обеспечения метода тепловизионной диагностики.
2. Программное обеспечение может быть использовано для экспрессной оценки технического состояния, тепловых расчетов оборудования, энерго- и ресурсосберегающей оптимизации эксплуатационных режимов, оценки потенциала энерго- и ресурсосбережения при проведении энергомониторинга.
3. Новые способы тепловизионной диагностики применимы для анализа технического состояния энергетического оборудования при равновесных и неравновесных процессах.
4. Обобщение опыта, практики и результаты производственных испытаний объектов системы энергообеспечения АПК, методики статистического анализа данных могут быть использованы для достоверного определения эксплуатационных показателей надежности, выявления влияющих факторов, построения прогностических моделей, определения научно-обоснованных сроков ППР, превентивного управления безопасностью при эксплуатации энергетических объектов.
5. Результаты производственных испытаний оценки состояния, эксплуатационных режимов объектов и элементов энергообеспечения, позволяющие оценить величину плотности тепловых потоков, термических сопротивлений изоляции, могут быть использованы при оценке сверхнормативных потерь, выработке научно-обоснованных оптимизирующих рекомендаций по ремонту и проведению мероприятий энерго- и ресурсосбережения.
6. Полученный экономический эффект свидетельствует о целесообразности внедрения метода, моделей, алгоритмов, программных продуктов для выработки технических решений и рекомендаций, а также оценки эффективности испытаний в процессе проведения мероприятий для увеличения показателей надежности, энерго- и ресурсосбережения при техническом диагностировании объектов энергообеспечения предприятий, систем централизованного теплоснабжения, жилищно-коммунальной и социальной сфер АПК.
7. Результаты диссертационной работы используются в учебном, научно-исследовательском процессах Мурманского государственного технического университета (МГТУ).
Реализация результатов исследований. Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в рамках научных работ МГТУ, договоров с ОАО "Колэнерго", Мурманским траловым флотом, домостроительным комбинатом, судоверфью, ИФЭК "Энергоконсультант" и других при тепловизионных испы таниях объектов предприятий агропромышленного, рыбопромыслового, топливно-энергетического, жилищно-коммунального комплексов районных центров и поселков Мурманской области, в том числе, подведомственных концернам "Норильский Никель", "Кольская ГМК", Министерству военно-морского флота РФ: Мончегорск, Никель, Заполярный, Нива, Кандалакша, Се-вероморск, Снежногорск, Гаджиево, Росляково, Сафоново, Сайда-Губа, За-озерск, Линахамари, Полярные Зори, Африканда.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всесоюзном НТС "Разработка, исследования, испытания изоляции кабельных изделий", Ереван, 1986; совещании "Процессы электропереноса и накопление заряда в диэлектриках" в ЦНИИ "Электроника", 1988; Российских НТК "Физика диэлектриков" 1993, 2000 г.г.; III региональном совещании "Внедрение научных технологий в практику Северного флота", 1999 г.; International conference "Northern universities", Murmansk, 1997 г.; семинарах "Современные проблемы инфракрасной термографии" в С.-Петербургском энергетическом институте повышения квалификации Минэнерго России, 1996, 2001, 2002, 2004 г.г.; пленарном заседании Совета специалистов по диагностике при Уралэнерго, Екатеринбург, 2002 г.; конференциях регионального союза работников ЖКХ России, 2003-2005 г.г.; научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ, 2005 г.; конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ 1989-2005 г.г.; производственных совещаниях технического отдела ОАО "Колэнерго", Государственной жилищной инспекции Мурманской области и поселковых муниципальных предприятий ЖКХ, Федерального учреждения "Управление государственного энергетического надзора по Карело-Кольскому региону".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 86 печатных работ, общим объемом более 20 п.л., из них более 18 п.л. написаны лично автором. Получено 1 свидетельство на изобретение СССР, 1 патент РФ, 1 положительное решение на патент РФ, 5 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.
На защиту выносятся:
1. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение положения о возможности дистанционной оценки методом тепловизионной диагностики величины плотности теплового потока как параметра технического состояния.
2. Концепция универсального комплекса моделей тепловизионной диагностики, включающая:
- теоретические основы универсального комплекса диагностических моделей объектов энергообеспечения, учитывающих совокупность факторов, определяющих процессы теплопередачи и воздействующих на диагностические параметры;
- методологию построения диагностических моделей, обеспечивающих формализованное описание и адекватное моделирование исследуемых объектов, повышающих достоверность технического диагностирования.
3. Модели, алгоритмы, программное обеспечение метода тепловизионной диагностики, обеспечивающие достоверные расчеты агрегированных функций, объективно характеризующих техническое состояние энергетических объектов.
4. Система сопровождения оборудования, методология тепловизионного обследования, результаты производственных испытаний тепловизионной диагностики электротехнического оборудования, средств энергообеспечения по определению их технического состояния и эксплуатационных режимов на основе комплекса диагностических моделей.
5. Новые способы тепловизионной диагностики для определения: неравномерности распределения токов в группе тиристоров; теплофизических параметров диэлектрических материалов при неравновесных тепловых процессах; параметров трансформаторов напряжения; состояния и оценки срока службы кабельных трасс; технического состояния силовых трансформаторов.
6. Методика статистической обработки данных тепловизионной диагностики для определения эксплуатационных показателей надежности оборудо вания и его элементов, выявления основных факторов, воздействующих на эти показатели.
7. Методики расчета экономической эффективности метода тепловизи-онной диагностики при оценке состояния и эксплуатационных режимов объектов и средств энергообеспечения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 449 стр., основного текста 335 стр., 138 рисунков, 54 таблиц, приложений на 114 стр. (86 рис., 7 таблиц), список литературы из 337 наименований, включая разработки автора. В приложение включены акты об использовании результатов работы на предприятиях и справки о регистрации патентов и программ ЭВМ.
Актуальность совершенствования методов технической диагностики для оценки реального состояния энергетических объектов
Надежность и электробезопасность электроснабжения потребителей в АПК, связанная со своевременным и качественным обеспечением технического обслуживания, планово-предупредительного ремонта, регламентными работами, проводимыми в соответствии с нормативными документами, должна быть обеспечена с наименьшей затратой трудовых и материальных ресурсов. Актуальной является и обратная задача - обеспечение наибольшей надежности имеющимися трудовыми и материальными ресурсами. Качество электроснабжения потребителей в значительной мере зависит от организационно-технических мероприятий, среди которых важную роль играют мероприятия подготовки и проведения плановых, внеплановых и аварийных ремонтов.
Обоснование уровня надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей осуществляется путем разделения всех электроприемников на категории и регламентировании параметров их надежности нормативными характеристиками: допустимые частота и длительность отказов в электроснабжении, число независимых источников питания, типовые схемные решения.
К потребителям 1-й категории относятся крупные молочные фермы и комплексы на 400 голов и более, откормочные предприятия с годовым откормом на 12 тыс. свиней и более, 5 тыс. крупного рогатого скота, птицефабрики с более чем 100 тыс. кур-несушек, технические и силовые установки пожарных насосов и др. Для электроснабжения «особой» группы электроприемников 1-й категории предусматривается дополнительное питание от третьего независимого резервируемого источника питания (дизельные электростанции, специальные агрегаты бесперебойного питания и т.п.). Перерыв электроснабжения особой группы электроприемников 1-й категории допустим лишь на время АВП от третьего независимого взаимно резервируемого источника.
Для потребителей 2-й и 3-й категории перерыв допускается при определенных ограничениях. Например, электроприемники 2-й категории рекомендуется обеспечивать электроэнергией от двух независимых взаимно резервируемых источников питания. К потребителям 2-й категории относятся ответственные электроприемники сельскохозяйственных установок, технология которых ограничивает допустимую продолжительность перерывов в электроснабжении, в том числе животноводческие и птицеводческие фермы с производительной мощностью меньшей, чем у электроприемников 1 -й категории (с общей нагрузкой от 300 до 3000 кВА) и т.п. Для производственных сельскохо 24 зяйственных потребителей длительность плановых отключений 1-й и 2-й категорий регламентирована с учетом технологических процессов [293].
К потребителям 3-й категории относятся все остальные возможные сельскохозяйственные потребители; для данных потребителей допустимы перерывы в электроснабжении для ремонта или замены поврежденного элемента электроснабжения, но не более одних суток. В период 1971-75 гг. в основном была произведена приемка от колхозов и совхозов на баланс предприятий Минэнерго СССР электросетей в сельской местности и их присоединение к государственным энергосистемам. На 2000 год общая протяженность сельских электрических сетей России напряжением 10-0,4 кВ составляла 2,3 млн. км и 513 тыс. трансформаторных подстанций напряжением 35-6/0,4 кВ общей мощностью около 90 млн. кВА [170], [293]. Академиком Россельхозакадемии Д. С. Стребковым отмечено, что современное состояние сетей в сельской местности характеризуется их старением и значительным снижением технико-экономических показателей, и сейчас более 30 % воздушных линий (650 тыс. км) и 150 тыс. трансформаторных подстанций отработали свой срок [313]. Более 30 % линий электропередачи, находящейся в муниципальной собственности, в результате сверхнормативной эксплуатации находятся в технически непригодном состоянии. Академиком Россельхозакадемии И.Ф. Бородиным показано, что, несмотря на снижение выработки, передачи и потребления электроэнергии в России, ее потери в электрических сетях возросли (на 20-25 %) и достигли 100 млрд. кВт-ч в год. Потери в сетях 0,4-10 кВ, характерных для потребителей агропромышленного комплекса иногда доходят до 50 % [32], [46]. Развитие электрификации районных предприятий резко сократилось с 1991-1993 годов, и продолжает оставаться на недостаточном уровне финансирования. Районные электрические сети находятся в неудовлетворительном техническом состоянии, больше половины из них имеют 100 % износ. Ограничено применение современного электрооборудования в районных сельских электрических сетях, а используемое оборудование практически исчерпало ресурс работы. Так, изоляторы на линиях напряжением 6-Ю кВ в значительной мере не отвечают требования надежности, 70 % всех отключений происходит по причине замыканий на землю из-за их пробоев. Электрические сети всего на 13-36 % оснащены средствами связи, телеуправления. Применяемые в сельской местности трехфазно-однофазные системы подключений потребителей приводят к значительной несимметрии напряжений в сетях 0,38 кК__-
Наряду с возрастанием потерь в сетях сократилась надежность электроснабжения, несмотря на регламентацию условий надежности сельскохозяйственных потребителей. В Постановлении РФ «О федеральной целевой программе «Социальное развитие села до 2010 года» [247] отмечается, что потери электроэнергии из-за сверхнормативного износа электрических сетей возросли на 20-25 %, продолжительность перерывов в электроснабжении сельских объектов возросла до 75 часов в год (за рубежом этот показатель на порядок меньше). Годовой ущерб потребителей АПК России превышает 1,5 млрд. руб.
Таким образом, среди многочисленных причин, снижающих эффективность использования электрической энергии на селе, следует отнести и низкую надежность систем электроснабжения, существенные потери электрической и тепловой энергии в сетях.
Задачами развития электрификации села является повышение надежности электроснабжения до уровня показателей развитых стран (снижение числа и продолжительности отключений в 10 раз), а также отработка и освоение системы эффективной эксплуатации электрооборудования, диагностики и последующего ремонта с учетом реального состояния оборудования.
Особенности учета процесса теплопередачи через различные среды при расчетах коэффициентов теплоотдачи и величины тепловых потоков от поверхности энергетического оборудования
От внутренних факторов зависят особенности нагрева поверхностного слоя наблюдаемого объекта (джоулевский разогрев металлических проводников, диэлектрический разогрев материалов в электромагнитном поле, нагрев магнетиков в магнитном поле токами рассеивания, косвенный нагрев за счет посторонних источников, например, за счет отопления в жилых помещениях).
Конструкционные факторы определяют тепловые потоки, генерирующиеся в объеме или проходящие через него, характеризуют особенности процессов теплопередачи, конвекции или излучения внутри объекта.
Поверхностные факторы зависят от свойства материала, структуры поверхности, определяющих величину коэффициента излучательности є.
Теплоотдача от поверхности связана с особенностями распространения тепловых потоков за счет конвекции, излучения, теплопередачи в воздухе, зависит от сторонних потоков тепла, вызванных наличием различных нагретых объектов (в том числе окружающей среды), отраженных от исследуемой поверхности или проходящих в виде излучения через приповерхностные слои за счет физических свойств материала.
Особенности проведения тепловизионной съемки необходимо учитывать при анализе совокупных факторов, влияющих на инфракрасное излучение по мере его прохождения в воздухе до тепловизионного приемника-сканера (в энергетике расстояния вплоть до 50-100 м). На формирование тепловизионного изображения объекта исследования влияют и теплофизические характеристики среды (температура и влажность воздуха, осадки, ветер и т. п.), взаимное расположение излучателя и приемника, местоположение сканера и т. д.
Наконец, собственно параметры тепловизионной системы могут способствовать или затруднять установление реального технического состояния оборудования и принятие адекватного экспертного решения оператором.
Современные тепловизионные системы, к которым относятся и используемые при исследовании тепловизоры (AGA-782; TERMOVISION-4&7), создают все возможности для корректной оценки большинства перечисленных факторов, в результате чего эксперту необходимо вырабатывать решение о техническом состоянии, главным образом, на основе анализа производственных и внутренних факторов с учетом конструкции объекта. Для достоверной оценки технического состояния энергетического оборудования с помощью термограмм необходимо выявить температурные различия (температурные контрасты) на поверхности объекта, определить влияние данных различий на возможность дальнейшей эксплуатации, оценить перспективы безаварийной работы, сроки ремонта оборудования, а также в случае необходимости обосновать необходимость аварийного отключения объектов. В процессе конструирования энергетического оборудования (аппаратов и конструкций) и осуществления контроля его технического состояния решаются прямые и обратные задачи теплового расчета [282]. Первая прямая задача - определение допустимой нагрузки аппарата с учетом предельной температуры, геометрии съемки, способа охлаждения и примерного значения коэффициента теплоотдачи. Первая обратная задача - определение величины требуемой охлаждающей поверхности, если известны способ охлаждения, допустимая температура и нагрузка. Вторая прямая задача - установление способа и параметров охлаждения с учетом нагрузки, класса нагревостойкости и геометрических особенностей аппарата. Вторая обратная задача - проведение анализа температурного поля объекта для определения его технического состояния. Таким образом, метод ТВД оборудования позволяет решить вторую обратную задачу теплового расчета аппаратов. Из анализа литературных источников сделан вывод, что современный этап развития метода ТВД энергетического оборудования не характеризуется решением задач компьютерного моделирования, отсутствуют диагностические модели, которые могут быть положены в основу автоматизированного расчета агрегированных функций состояния объектов с учетом их взаимосвязи с диагностическими параметрами и разнообразными факторами. Автором впервые [64] выдвинуто предположение, что в качестве количественного параметра технического состояния, наряду с используемым информативным параметром ТВД (температурой участка поверхности t,), может быть использована агрегированная функция технического состояния - плотность теплового потока q, как косвенный диагностический параметр. Подобный подход открывает перспективу использования метода ТВД не только для решения задач "диагноза" и "прогноза" технического состояния, но и для решения задач энергоэффективности объектов сельской энергетики. Данное предположение основано на теоретических предпосылках, связанных с проблемами теплопередачи от различных поверхностей. Развитие предположения и его экспериментальное доказательство на основе физических представлений теории теплопередачи представлено в работах автора [64], [70], [82], [84], [86], [95], [101], [114], [117].
Оценка влияния различных факторов эксплуатации на агрегированные функции технического состояния высоковольтных вводов
Повышение достоверности технического диагностирования, характеризующей степень объективного соответствия результатов диагностики действительному техническому состоянию энергетического оборудования, методами тепловизионнои диагностики непосредственно связано с развитием методик дистанционного контроля теплофизических параметров аппаратов и конструкций. Поэтому актуальным является обоснование и проверка применимости методов определения технического состояния энергетического оборудования путем дистанционной оценки величины плотности тепловых потоков на основе тепловизионных испытаний и расчета диагностических моделей, параметрами которых являются температура среды, особенности конструкции, форма поверхности исследуемого аппарата и т.п.
Учет особенностей процессов теплопередачи, представленных выше, позволяет рассчитать величину коэффициента теплоотдачи на поверхности различных высоковольтных аппаратов. Это дает возможность современными методами тепловизионнои диагностики оценить не только распределение тепловых полей на поверхности электрического оборудования, в частности, фарфоровых покрышек, но и рассчитать величину плотности тепловых потоков, обусловленных тепловыделениями в объеме и процессами теплоотдачи на границах раздела.
Точность расчета плотности тепловых потоков определяется оценкой коэффициента теплоотдачи а на границах раздела. Алгоритмы расчета совокупности соотношений, описывающих многообразие различных процессов теплопередачи и используемых для расчета коэффициентов теплоотдачи и плотности тепловых потоков от поверхности, представлены в работах автора [97], [98], [106], [ПО].
Представляет интерес экспериментальная оценка значений плотности тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи на поверхности фарфоровой изоляции реальных электротехнических конструкций и сравнение этих результатов с теоретическими значениями, полученными в результате расчета плотности тепловых потоков.
Для решения поставленной задачи проведены эксперименты, которые можно описать следующим образом [82]. В качестве объектов исследования выбраны два фарфоровых проходных изолятора (ПТ-6 УЗ) высотой Н и 18 см и внешним (средним) диаметром D « 45 мм, внутренним диаметром d » 23 мм (рис. 2.4) (фото и термограмма конструкции представлена в приложение I, рис. 3, 4). По центральной оси изолированной внутренней полости объема изоляторов, расположенных вертикально на расстоянии 25 см друг от друга и закрепленных в держателях, пропущен нихромовый провод диаметром 1,6 мм.
Наличие двух изоляторов, через которые пропущен один провод, предусмотрено для увеличения точности эксперимента. Первоначально полости обоих изоляторов были воздушными, затем после установления идентичности показаний на изоляторах, одна из полостей заполнялась трансформаторным маслом. Температура внешней поверхности изолятора t w металлического проводника внутри воздушной полости ґп.в.в или заполненной трансформаторным маслом ґп.в.м.» снаружи /п.н.в (вне изолятора), температура воздуха t0 на удалении от изоляторов контролировалась в различных точках термопарами, а также те-пловизионным методом. Для экспериментальной оценки величины тепловых потоков на локальные участки поверхности фарфора (рис. 2.4) устанавливались контактные датчики диаметром 20 мм, с помощью которых оценивается поверхностная плотность теплового потока qs. Значение линейной плотности теплового потока qi от наружной поверхности фарфоровой изоляции рассчитывается по соотношению Тепловое состояние аппаратов и конструкций оценивается на основе разработанных моделей тепловизионной диагностики, учитывающих значения превышения температуры поверхности покрышки: превышения температуры провода, находящегося на воздухе или в масле, при различных токах (или мощности РІ): где индексы /, к - характеризуют расположение провода и среду, в которой от находится. Контролируя величины U и / при испытании, можно рассчитать величину Pi и сравнить ее со значением линейной плотности теплового потока qt на внешней поверхности изолятора (рис. 2.5, линия 1). Результаты экспериментов показывают, что после установления равновесного состояния линейная плотность теплового потока #/, рассчитанная по соотношению (2.58) с учетом измеряемого значения qs, равна величине Р/, обусловленной джоулевским разогревом провода; коэффициент корреляции между величинами Р/ и qi равен г -0,999. Это подтверждает предположение, что тепловой поток от провода через фарфоровую изоляцию имеет, в основном, радиальный характер. По мере увеличения величины плотности потока от поверхности, значение превышения температуры поверхности фарфора А?ф нелинейно возрастает (рис. 2.5, кривая 2; рис. 2.6, кривая 3): при Pt= 21,5 Вт/м величина А/ф« 11,3 С.
Тепловизионная диагностика как система сопровождения оборудования по техническому состоянию
Системный подход к методологии построения диагностических моделей, входящих в состав универсального комплекса, повышающих достоверность технического диагностирования, обеспечивающих формализованное описание и адекватное моделирование исследуемых объектов, необходимых для решения задач ТВД, предполагает последовательность этапов моделирования [8], включающих: выбор концепции и синтез структуры; структурная идентификация моделей; разработка и создание физических моделей, проведение физических экспериментов; параметрическая идентификация моделей; выбор диагностических параметров ТВД; учет определяющих факторов; выбор входных переменных факторного пространства модели; определение, анализ агрегированной функции для оценки технического состояния; выбор объектов испытаний и их тепловизионная диагностика; применение математических и физических моделей для оценки технического состояния и энергоэффективности.
Основу общей структурной идентификации совокупности универсального комплекса составляют физические законы, описанные в главе П. Эти законы и известные закономерности, результаты тепловизионных испытаний заложены в основу математической модели универсального комплекса диагностических моделей, объединяющего совокупность диагностических моделей различного оборудования и описывающего на единой методической основе модели аппаратов различных конструкций и систем энергообеспечения.
Параметрическая идентификация модели конкретного объекта включает в себя последовательность шагов, включающих: неформализованное описание объекта; математическая постановка задачи, в том числе: выбор математической модели и геометрического описания; оценивание диагностических параметров модели; разработку метода решения и вьшислительного алгоритма; программирование и отладку программы; тестирование алгоритма на конкретных задачах; оценка эффективности и области применимости метода и алгоритма, корректировка модели; расчеты в рамках модели; факторный анализ состояния объекта; анализ адекватности математической модели и ее корректировка. Центральными задачами этапов моделирования являются: современные методы обработки и интерпретации данных (п. 1 - 11), оценка технического состояния, эксплуатационных режимов, выбор научно-обоснованных и оптимальных экспертных решений (п. 12 - 14).
В рамках универсального комплекса моделей возможно решение задач (оптимизационные, диагностические, идентификационные) тепловизионной диагностики, которые можно сформулировать в обобщенном виде.
Задача тепловизионной диагностики энергетического оборудования, в том числе при мероприятиях энерго- и ресурсосбережения, определяет набор параметров Yt технического состояния вектора Y (вектор характеристик технического или энергетического состояния системы) при определенных параметрах внешних воздействий и, образующих вектор U (и є U). Множество решений (в одномерном виде) задается в виде: минимизирующий целевой функционал, Y(x, х) - вектор характеристик состояния системы, связанный с параметрами технического состояния и временем; C\{Y), sx{Y) - технические и физические характеристики (ограничения); v(F, х, х) - вектор характеристик, в который входят проектные параметры объекта; с(х, т) - внешнее воздействие на систему (режимы, нагрузка); L - нелинейное преобразование, представляющее собой математическую модель теплопереноса в анализируемой энергетической системе; /жсп - параметры температурного поля, эмпирически определяемые в процессе диагностики.
Условия (3.1) могут быть использованы для решения и анализа ряда задач ТВД методами математического и физического моделирования.
На основе информативного диагностического параметра - температуры поверхности, моделированием определяются обобщенные функции, полученные на основе агрегированных моделей, учитывающих значительное количество диагностических параметров и факторов. Учитывая, что подобные функ 99 ции также относятся к косвенным диагностическим параметрам, их можно идентифицировать как агрегированные функции технического состояния.
Можно выделить общий подход при построении комплекса диагностических агрегированных моделей и пакета программ различных объектов при определении их технического состояния: расчет составляющих вектора агрегированных функций Y(T), достоверно (объективно) характеризующих особенности технического состояния энергетических объектов, путем учета и анализа воздействующих факторов на объект испытаний в процессе ТВД (рис. 3.2).
Диагностические модели различных объектов учитывают многообразные процессы: тепловыделения в объеме проводников и диэлектрических материалов; теплопередачи в электроизоляционном материале; теплоотдачи на границе раздела "объект - воздух"; неравновесной теплопередачи и параметры температуропроводности в электроизоляционном материале; механизмы старения изоляции и т. п.
В процессе определения расчета определяются различные агрегированные функции, но поскольку расчет величины теплового потока является центральным в структуре универсального комплекса, данная агрегированная функция условно названа функцией I уровня.
В дальнейшем на основе расчета теплового потока производится оценка агрегированной функции (II уровня): величины превышения температуры поверхности Atn объекта, представляющего собой диагностический параметр те-пловизионной диагностики, определяемый в процессе испытаний и зависимый от параметров технического состояния.
Наконец, определяются агрегированные функции (III уровня) непосредственно определяющие текущее техническое состояние объекта: температура внутренних слоев конструкции, термическое сопротивление ограждений и т.п.
При проектировании энергетического оборудования и анализе его эксплуатации существенную роль играет разработка частных физико-математических моделей для описания теплового состояния и эксплуатационных режимов оборудования.
