Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем диагностирования повреждений кабельных линий и комплектных токопроводов высокого напряжения 19
1.1. Современное состояние технической диагностики кабельных линий и токопроводов 19
1.2. Методы диагностирования мест повреждений изоляции кабельных линий и токопроводов в условиях эксплуатации 26
1.3. Структура и техническая реализация средств диагностирования повреждений кабельных линий и токопроводов 36
1.4. Выводы 52
Глава 2. Электромагнитные характеристики силовых кабелей и пофазно экранированных токопроводов в режимах диагностирования повреждений 56
2.1. Общие положения и постановка задач 56
2.2. Анализ конструктивных параметров объектов диагностирования 61
2.3. Методики расчета электромагнитных параметров кабелей и токопроводов 76
2.4. Принципы автоматизации расчетов электромагнитных характеристик объектов диагностирования 89
2.5. Расчет и анализ электромагнитных характеристик объектов диагностирования 100
2.6. Сравнение расчетных и экспериментальных данных 114
2.7. Выводы 120
Глава 3. Исследование процессов формирования диагностических признаков поврежденной кабельной линии
3.1. Общие положения и постановка задач 126
3.2. Интегральные характеристики процесса испытания кабельной линии повышенным напряжением 133
3.3. Основные закономерности процессов в разрядном канале при прожигании 146
3.4. Обобщенные зависимости процесса разряда емкостного накопителя на поврежденную кабельную линию 151
3.5. Сравнение расчетных и экспериментальных данных 161
3.6. Выводы 165
Глава 4. Математическое моделирование магнитного поля поврежденного пофазно экранированного токопровода 168
4.1. Общие положения и постановка задач 168
4.2. Магнитное поле коаксиальной токопроводящей системы с радиальным разрядным каналом 172
4.3. Магнитное поле токопровода при произвольном расположении разрядного канала в поврежденном изоляторе 131
4.4. Магнитное поле тока стопорной шайбы поврежденного изолятора 190
4.5. Магнитное поле распределенного тока фланца поврежденного изолятора 194
4.6. Формирование локального магнитного поля в области поврежденного изолятора элементами цепи разрядного тока 203
4.7. Исследование магнитного поля поврежденного изолятора на серийном токопроводе и сравнение экспериментальных и расчетных данных 209
4.8. Выводы 213
Глава 5. Развитие индукционного метода диагностирования повреждений кабельных линий и комплектных токопроводов 216
5.1. Общие положения и постановка задач 216
5.2. Определение расчетных параметров индукционного метода с учетом эксплуатационных условий 219
5.3. Компенсация тока растекания при однофазных замыканиях с контролем напряжения на оболочке кабеля 227
5.4. Выделение информационного сигнала о месте однофазного замыкания на трассе кабельной линии 234
5.5. Определение расчетных условий для индукционного метода диагностирования повреждений комплектных шинопроводов 0,4 кВ 243
5.6. Применение индукционного метода для диагностирования повреждений комплектных шинопроводов на трассе 248
5.7. Выводы 256
Глава 6. Основы теории и выбор параметров акустического метода диагностирования повреждений кабельных линий 260
6.1. Общие положения и постановка задач 260
6.2. Энергетические соотношения при разрядах емкостного накопителя энергии на поврежденную кабельную линию. 262
6.3. Основные расчетные характеристики системы накопитель - кабельная линия при электрическом разряде в месте повреждения 269
6.4. Экспериментальные характеристики звукового поля на трассе кабельной линии при электрическом разряде в месте повреждения 272
6.5. Оценка основных параметров акустического метода с учетом экспериментальных характеристик грунта над местом повреждения кабельной линии 285
6.6. Выводы 295
Глава 7. Анализ и рекомендации по совершенствованию аппаратуры для диагностирования повреждений кабельных линий 299
7.1. Общие положения и постановка задач 299
7.2. Выбор схемы повышающего трансформатора для передвижной кабельной электролаборатории 301
7.3. Сравнение схем и характеристик генераторов зондирующих сигналов 305
7.4. Оценка и выбор параметров входных преобразователей диагностических сигналов 320
7.5. Повышение избирательности приемников диагностических сигналов 328
7.6. Выводы 332
Глава 8. Разработка и внедрение технических средств для диагностирования повреждений кабельных линий и комп лектных токопроводов 336
8.1. Переносные выпрямительные установки для испытания повышенным напряжением силовых кабельных линий 336
8.2. Испытательно-прожигающие установки для силовых кабельных линий 341
8.3. Индукционные диагностические приборы для кабельных линий 342
8.4. Акустические диагностические приборы для кабельных линий 347
8.5. Индукционные диагностические приборы для комплектных токопроводов и магистральных шинопроводов 350
8.6. Внедрение и серийный выпуск разработанных технических средств диагностирования 355
Заключение 360
Литература
- Современное состояние технической диагностики кабельных линий и токопроводов
- Анализ конструктивных параметров объектов диагностирования
- Интегральные характеристики процесса испытания кабельной линии повышенным напряжением
- Магнитное поле коаксиальной токопроводящей системы с радиальным разрядным каналом
Введение к работе
Кабельные линии и комплектные экранированные токопроводы высокого напряжения являются необходимым звеном в передаче и распределении электроэнергии и в значительной степени определяют надежность электроснабжения потребителей. Указанные элементы в электроустановках и электрических сетях относятся к силовым токопроводным коммуникациям закрытого исполнения, что существенно затрудняет определение места их повреждения (ОМП) при аварийных отказах. В комплексе ремонтных работ диагностирование повреждений кабельных линий и комплектных то-копроводов является сложной и наиболее длительной (до 2-5 суток) технологической операцией.
Общая протяженность силовых кабельных линий 3-35 кВ в отдельных энергосистемах и на промьппленных предприятиях достигает 1-7 тыс. км (МКС Мосэнерго, Л КС Ленэнерго, АвтоВАЗ и др.) при числе линии до 2-Ю тыс. Аварийные отказы кабельных линий 3-35 кВ в странах СНГ и за рубежом составляют от 4 до 10 повреждений в год на 100 км линий. В условиях большой протяженности и непрерывного развития кабельных сетей работы по диагностированию повреждений носят массовый характер и требуют значительных экономических затрат. В России на восстановление работоспособности кабельной линии 3-35 кВ требуется до 10 тыс.руб При этом затраты непосредственно на ОМП составляют 25-50%.
Комплектные токопроводы 6-24 кВ получили широкое применение на электростанциях в качестве генераторных токопроводов, в системе собственных нужд, а также на промышленных предприятиях. Общая протяженность токопроводов на крупных электростанциях может достигать 1 км и более при числе опорных изоляторов до 1000 шт. Кроме того, в электрических сетях до 1 кВ промышленных предприятий комплектные токопроводы используются в качестве основных линий электроснабжения - магистральных шинопроводов. Комплектные токопроводы являются нерезервируемыми устройствами и их повреждения нарушают основной технологический процесс объекта (блока электростанции, цеха промышленного предприятия), что приводит к значительному ущербу. Поэтому задача оперативного диагностирования повреждений комплектных токопроводов также является актуальной.
Таким образом, совершенствование технического диагностирования повреждений силовых кабельных линий и комплектных токопроводов является крупной и актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение для обеспечения требуемой надежности электростанций и электрических сетей.
Для обеспечения надежной работы кабельных и токопроводных линий в эксплуатации проводится комплекс противоаварийных мероприятий по диагностированию этих объектов. Эти мероприятия включают в себя профилактические испытания повышенным напряжением, обработка (при необходимости) места повреждения для получения устойчивых диагностических параметров, определения зоны повреждения, путем изменения расстояния до места повреждения от конца кабельной или токопроводной линии, и непосредственное указание места повреждения на трассе диагностируемого объекта.
В условиях большой протяженности и непрерывного развития кабельных сетей работы по диагностированию повреждений носят массовый характер и требуют значительных экономических затрат. Профилактические испытания силовых кабельных линий являются наиболее массовыми. В крупных энергосистемах число испытаний кабельных линий достигает 5-10 тыс. в год, и это оправдано, так как эффективность профилактических испытаний силовых кабельных линий в передовых крупных сетях находится на уровне 60-85%, что соответствует уровню аварийных повреждений от 40 до 15%.
Уменьшение затрат на проведение массовых профилактических испытаний может быть достигнуто за счет снижения массы и размеров испытательных устройств, что сокращает транспортные расходы и время развер 9
тывания аппаратуры, а также улучшает условия труда. Это становится особенно актуальным при современных технических решениях с использование многоэтажных распределительных устройств и комплектных подстанций, а также в карьерных и шахтных сетях, где использование существующих громоздких и тяжелых испытательных устройств становится затруднительным.
Диагностирование аварийных повреждений силовых кабельных линий является наиболее сложной совокупностью последовательно выполняемых работ, которые требуют большого опыта и высокой квалификации ремонтного персонала. Это объясняется как свойствами объекта диагностирования (высокое переходное сопротивление, значительная собственная емкость, ограничивающая скорость подъема напряжения и распределенные электрические параметры объекта), так и несовершенством применяемой аппаратуры. В комплексе задач оперативного диагностирования повреждений силовых кабельных линий обработка места повреждения путем прожигания, часто является обязательным условием для применения таких эффективных методов определения места повреждения (ОМП) как петлевой, импульсный и индукционный, требующих снижения переходного сопротивления в месте повреждения до единиц десятков Ом. Продолжительность процесса обработки поврежденных мест кабельных линий иногда превышает 24 час, а масса прожигающих установок достигает 300-500 кг. Непосредственное указание места повреждения требует работы оператора в полевых условиях, когда при скрытой прокладке кабеля по изменению обычно одного диагностируемого параметра (зависящего от многих факторов), необходимо указать места повреждения. Решение подобной задачи часто определяется опытом и интуицией оператора, поэтому исследование диагностических полей в области повреждения и разработка более совершенных технических средств диагностирования с более четким алгоритмом поиска повреждения является актуальной проблемой.
В комплексе противоаварийных работ на комплектных токопроводах диагностирование повреждений опорных изоляторов является сложной и наиболее длительной технологической операцией по выявлению из десятков или сотен недоступных для визуального осмотра изоляторов - одного поврежденного изолятора. Сложность отыскания поврежденных изоляторов возрастает из-за расположения токопроводов в труднодоступных местах, а для определения состояния изолятора необходимо его извлечение из токопровода. Отмечены случаи, когда для уменьшения зоны поиска токо-провод разрезался на несколько участков. Кроме того, при извлечении опорных изоляторов необходимо преодолеть окисление резьбовых соединений, что сильно затягивает процесс поиска. Отсутствие специализированной диагностической аппаратуры приводит к увеличению времени поиска поврежденного изолятора и возрастанию объема работ. Аппаратура, применяемая для диагностирования повреждений в воздушных и кабельных линиях, из-за конструктивных особенностей токопроводов, обычно не эффективна. Метод частичных разрядов дает положительные результаты, но трудоемок и применяется только специализированными организациями. Поэтому проблема исследования диагностических полей в области поврежденного изолятора и разработка технических средств диагностирования комплектных токопроводов является актуальной.
Наиболее существенный вклад в развитие технического диагностирования повреждений изоляции силовых кабельных линий внесли ученые и специалисты учебных, научно-исследовательских организаций и производственных предприятий ОА ВНИИЭ, АО Фирма ОРГРЭС, АО ВНИИПЭМ, НПИ (НГТУ), ЧПИ, ЛКС Ленэнерго, МКС Мосэнерго и др.
Основы теоретических и экспериментальных исследований в области диагностики повреждений кабельных линий заложены Маном А.К., Платоновым В.В., Шалытом Г.М., Спиридоновым В.К., Дементьевым B.C., Погарским В.И. и др. Теоретические основы выявления повреждений в силовых кабельных линиях разработаны Платоновым В.В., опыт применения и выбора аппаратов для диагностирования повреждений систематизирован Бажановым С.А., определение мест повреждения в электрических сетях рас 11
смотрено Шалытом Г.М. Исследования в области диагностики повреждений комплектных токопроводов практически отсутствуют. Достаточно хорошо разработаны методы расчета параметров токопроводов в эксплуатационных режимах (Чальян К.М.).
Целью работы является совершенствование методов и технических средств ОМП силовых кабельных линий и комплектных токопроводов высокого напряжения, а также разработка и внедрение в эксплуатационную практику более эффективной диагностической аппаратуры комплексного назначения.
В работе обобщаются результаты исследований и разработок, выполненных при научной консультации и непосредственном участии автора, связанных с решением указанной проблемы. Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с отраслевыми и региональными научно-техническими программами по развитию диагностического оборудования и повышению надежности электрических сетей энергосистем (ОНТП: 01.01.06; 01.01.03, 406.1; 03.03.06 и др.) и рекомендациями СИГРЭ по актуальной тематике для электроэнергетики (группы 21, 33).
В основу решения рассматриваемой проблемы положена концепция системного подхода: определение конструктивных, режимных и эксплуатационных факторов и оценка их интегрального влияния на расчетные параметры диагностической аппаратуры. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- анализ конструктивных параметров силовых кабелей и комплектных экранированных токопроводов высокого напряжения;
- разработка методики и алгоритмов расчета электромагнитных параметров силовых кабелей и комплектных токопроводов в режимах диагностирования повреждений;
- формирование банка данных электромагнитных параметров силовых кабелей и пофазно-экранированных токопроводов в режимах диагностирования повреждений; - определение интегральных характеристик процесса испытания кабельной линии повышенным выпрямленным напряжением при заданной скорости подъема питающего напряжения;
- исследование процесса разряда емкостного накопителя энергии на поврежденную кабельную линию и разработка алгоритма расчета параметров процесса с учетом частотных характеристик объекта;
- теоретические и экспериментальные исследования магнитного поля поврежденного пофазно-экранированного токопровода;
- определение выходных параметров аппаратуры для индукционного метода на основе учета характеристик кабельной линии в режимах диагностирования;
- определение места замыкания на оболочку кабельной линии на основе компенсации тока растекания и использования избирательного маг-нитоприемника;
- определение расчетных условий для применения индукционного метода диагностирования повреждений магистральных шинопроводов с расщепленными фазами;
- теоретическое и экспериментальное исследование акустического поля на трассе при разряде емкостного накопителя энергии на поврежденную кабельную линию;
- разработка высокоэффективных устройств комплексного назначения для диагностирования повреждений силовых кабельных линий;
- разработка методики и технических средств диагностирования повреждений пофазно-экранированных токопроводов высокого напряжения.
Для решения поставленных задач использованы методы теоретической электротехники, математического анализа, математического моделирования и натурного эксперимента.
Современное состояние технической диагностики кабельных линий и токопроводов
Техническая диагностика силовых кабелей и экранированных токопроводов высокого напряжения предусматривается в процессе их промышленного изготовления и в условиях эксплуатации. В первом случае контролируется качество изготовления, во втором определяется техническое состояние и работоспособность объектов диагностики, осуществляется поиск дефектов /1,2/. Изучение вопросов определения мест повреждения изоляции протяженных токоведущих систем закрытого исполнения является само-стоятельным научным направлением в технической диагностике силового электрооборудования. Это подтверждается результатами исследований, представленными в научных статьях, диссертациях и монографиях. В России ведущими отраслевыми организациями по данной проблеме являются АО ВНИИЭ, АО Фирма ОРГРЭС, АО НИИПРОЕКТЭЛЕКТРОМОН-ТАЖ.
Научное направление имеет существенное практическое значение, так как в условиях эксплуатации непосредственно связано с решением задачи оперативного выявления мест повреждения силовых кабельных линий и токопроводов в целях обеспечения надежности электроснабжения или надежности функционирования электроустановок. Техническим обслуживанием кабельных линий и экранированных токопроводов с рабочим напряжением 6-35 кВ, восстановлением их работоспособности при отказах в электрических сетях и на промышленных предприятиях занимаются специализированные службы или организации, оснащенные необходимым диагностическим оборудованием.
В мировой практике массовое распространение в распределительных электрических сетях получили кабельные линии с классом напряжения 6-Ю кВ. Поэтому производство технических средств диагностики для таких линий характеризуется высокими коммерческими показателями. Рынок передвижных кабельных лабораторий на мировом уровне оценивается в 0,5-1,0 млрд.долл. США. Ведущими в области производства диагностического оборудования является фирмы Германии (Хагенук, Себа Динатроник), Австрии (Баур), США (Хипотроник). В России оборудование для диагностирования силовых кабельных линий 6-Ю кВ серийно производится, в основном, в составе передвижных электрических лабораторий универсального типа, предназначенных для испытаний и проверок высоковольтного силового электрооборудования. Потенциальные возможности внутреннего рынка России в подобном оборудовании могут составить к 2000 г. 1 млрд.руб. в ценах 1998 г.
Исследования в области диагностирования повреждений силовых кабельных линий высокого напряжения имеют определенные этапы развития продолжительность 20-25 лет, в течение которых происходит накопление теоретических и практических результатов и их обобщение в диссертациях, монографиях и методических материалах производственного назначения. К первым существенным результатам научно-производственного характера относятся работы 1930 года /3, 4/ и последующих 10 лет /5-11/, включая обобщающие работы /12, 13/. Примером решения практических задач служат работы /14-18/. В систематизированном виде состояние теоретических вопросов, относящихся к рассматриваемому научному направлению, на период 1950 г. дано в монографии А.И.Лурье, посвященной электрическим измерениям в сетях сильного тока /19/. К завершающим теоретическим работам второго этапа развития исследований в области диагностирования повреждений изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением выше 1000 В относятся диссертации А.К.Манна (1955 г.) и В.А.Подольского (1956 г.) /20, 21/. В диссертациях представлены результаты исследований методов непосредственного поиска повреждений силовых кабелей. Манном А.К. даны первые теоретические и практические рекомендации по применению акустического метода для выявления места повреждения изоляции на трассе кабельной линии.
В период 1975-1980 г.г. завершился очередной этап развития научного направления. В монографиях и методических материалах /22-27/ рассмотрены вопросы практического применения методов и аппаратуры для ОМП силовых кабельных линий. Основные результаты в области теоретических исследований представлены в диссертациях /28-33/. В работах исследовались вопросы реализации отдельных методов ОМП и применения методов при определенных видах повреждений изоляции кабельных линий, выполнены разработки диагностического оборудования. Мирзабекя-ном В.Т. в /28/ на основе технико-экономического анализа также рассмотрена задача сооружения передвижной электролаборатории для кабельных сетей 6-Ю кВ. Комплексное рассмотрение проблемы ОМП силовых кабельных линий высокого напряжения выполнено Платоновым В.В. в /33/, где разработаны основы теоретического анализа проблемных задач и получены первые обобщающие результаты системного характера для научного направления.
Актуальность проблемы определения дефектных изоляторов закрытых токопроводов 6-35 кВ сформулирована Бонецким Л.К. в 1967 г. /34/. Причем, следует учесть, что в составе энергоблоков электростанций, включая АЭС, генераторные экранированные токопроводы относятся к нерезер-вируемому оборудованию /35-41/ и должны иметь высокую техническую готовность.
Анализ конструктивных параметров объектов диагностирования
В качестве объектов для диагностирования мест повреждения изоляции рассматриваются силовые кабели и комплектные пофазно - экранированные токопроводы высокого напряжения - от 3 кВ до 35 кВ. Их объединяет, несмотря на принципиальные отличия в выполнении изоляции, общая топология токоведущих частей и защитных оболочек, электрических контуров при повреждении изоляции.
Кабели и токопроводы рассматриваемого типа имеют три основных конструктивных элемента: токоведущие проводники, изоляцию или изоляционные элементы и герметичные защитные оболочки. Силовые кабели отличаются огромным многообразием конструкций и типоразмеров /156-161/. В отдельных классах напряжений существует более 1000 типовых кабельных изделий. В целом в классах напряжений 3 ч- 35 кВ число типовых кабельных изделий превышает 5000 шт. Номенклатура основных 7 конструкций комплектных токопроводов, эксплуатируемых в цепях мощных синхронных генераторов, значительно меньше и составляет 36 типоразмеров /155, 162/.
Силовые кабели на напряжение Зч-35 кВ выпускаются в однофазном и трёхфазном исполнении, из них до 80% составляют трёхфазные кабели 6-ПО кВ марок ААБ, ААШв и др. с жилами и оболочкой из алюминия - из - за меньшей стоимости. На сложных трассах при числе поворотов более 2 и протяжек в трубах длиной более 20 м применяются марки кабелей, обладающие большей гибкостью, например типа АСБ, СБ. Кабели марок СБ и др. с медными жилами используются в тех случаях, когда это предусмотрено требованиями ПУЭ - для взрывоопасных зон и т.п.
Генераторные (Г) комплектные экранированные (Э) токопроводы (Т) имеют шины и оболочки ( экраны ) из алюминия и выполняются для каждой фазы, т.е. трёхпроводными. В цепи турбогенератора ТВВ - 1200 - 2 (UH= 24 кВ , 1ном = 32,1 кА ) Костромской ГРЭС установлены шестипро-водные токопроводы ( ТЭКНЕ - 24 / 18000 , 1Н0М = 18 кА ) - из - за конструктивных особенностей генератора. Разрабатываются токопроводы с Uном = RB на передаваемую мощность 1200 МВт и более.
Экраны токопроводов трёх фаз в зависимости от конструкции токо-провода соединяются в одной или нескольких точках /163/. По этому признаку конструкции токопроводов классифицируются следующим образом. К 1-ой группе относятся токопроводы с секционированными экранами, 2 группу составляют токопроводы с непрерывными экранами. Принцип соединения экранов по длине токопровода определяет их экранирующее действие.
В 1 группе каждая секция экрана электрически изолируется от соседних секций и заземляется в одной точке. Магнитная связь шин фазных токопроводов ослабляется полем вихревых токов в экранах, вызванных действием магнитных полей соседних фаз. Работа таких токопроводов сопровождается повышенным нагревом рядом расположенных металлоконструкций.
Токопроводы 2 группы имеют экраны, электрически соединённые с помощью сварки по длине трасы и по обоим концам токопроводов. В этом случае экраны образуют замкнутую трёхфазную систему и экранирующий эффект обусловлен продольными токами в экранах, близкими по величине к значениям тока в шине. Достигается практически полное экранирование магнитных полей во внешнем пространстве токопроводов. Токопроводы характеризуются повышенными потерями в экранах по сравнению с токо-проводами 1 группы. Для ограничения продольных токов в непрерывных экранах может применяться включение в их цепи токоограничивающих реакторов /163/. При этом экранирующее действие продольных токов снижа ется. Экраны в токопроводах 2 группы на трассе изолируются от металлоконструкций и заземляются в одной точке.
Экранированные токопроводы высокого напряжения в комплектном исполнении поставляются отдельными секциями заводского изготовления.
Изоляция силовых кабелей выполняется из твёрдых диэлектриков. Шины токопроводов имеют воздушную изоляцию и закрепляются в защитных экранах на опорных изоляторах. В силу указанных конструктивных особенностей повреждения кабельных линий в эксплуатации, за исключением повреждений механического характера, обусловлены дефектами изоляции силового кабеля, токопроводов - дефектами опорных изоляторов. В обоих случаях место повреждения носит закрытый характер и недоступно для визуального выявления производственным персоналом.
При повреждении изоляции нарушается симметрия электромагнитных параметров объектов диагностики, возникают новые электрические контуры, обусловленные замыканиями через повреждённую изоляцию. При этом повреждения кабельных линий характеризуются следующими основными видами: замыкания между двумя жилами, замыкание между жилой и оболочкой кабеля; в токопроводах - замыкание через дефектный опорный изолятор между токопроводящей шиной и оболочкой экрана.
При определении мест повреждения изоляции на трассах рассматриваемых объектов с помощью технических средств кабельные линии и токопроводы, в отличии от эксплуатационных режимов, включаются по несимметричным схемам.
Силовые кабельные линии и токопроводы, как объекты диагностики, представляют собой систему с распределёнными электромагнитными параметрами : удельной ёмкостью С0, удельной индуктивностью L0 и удельным активным сопротивлением R0. Удельная проводимость неповреждённой изоляцией этих объектов на несколько порядков меньше удельной ёмкостной проводимости ( соС0 ) уже на промышленной частоте и в расчётах не учитывается.
Интегральные характеристики процесса испытания кабельной линии повышенным напряжением
Диагностические признаки повреждённой кабельной линии формируются с целью оценки технического состояния и определения повреждения на трассе на каждом из технологических этапов диагностирования линии : при испытании повышенным напряжением, прожигании дефектной изоляции, выявлении места повреждения. К диагностическим признакам процесса испытания кабельных линий повышенным напряжением относятся уровень испытательного напряжения и тока нагрузки испытательной установки. При прожигании изоляции и электрических разрядах в месте повреждения диагностическими признаками являются уровни разрядного тока, давления в разрядном канале и остаточного напряжения на линии. В качестве диагностических признаков при определении мест повреждений используются временные параметры, связанные с распространением электрических сигналов в кабельной линии, уровни интенсивности магнитного и акустического полей на трассе.
Цель исследования процессов формирования диагностических признаков заключается в определении их предельных значений и совершенствовании средств диагностики на основе рационального выбора технических параметров. Предельные уровни диагностических признаков оцениваются максимальными, действуїющими и средними значениями. Наиболее полно в обобщённом виде процессы формирования диагностических признаков характеризуются интегральными показателями. Для их оценки необходимо решение следующих задач : - исследование процесса испытания кабельной линии повышенным выпрямленным напряжением и получение интегральных зависимостей и характеристик; - анализ основных закономерностей процессов в разрядном канале при прожигании дефектной изоляции кабельной линии ; - определение общих закономерностей процесса разряда ёмкостного накопителя на повреждённую кабельную линию.
При высоковольтных испытаниях силовых кабельных линий используются испытательные установки с выпрямителями, выполненными по од-нополупериодной схеме или по схеме с умножением напряжения. Напряжение на кабельной линии поднимается со скоростью vu =1 + 2 кВ/с /79/ или небольшими ступенями до заданного испытательного значения UHCn, время подъёма испытательного напряжения - t = tn, tn= Uucn/vu . При линейном законе подъёма испытательного напряжения величина напряжения на кабельной линии в произвольный момент времени может быть получена интегрированием зарядной кривой, определённой при неизменном питающем напряжении /184/ / UK=vu-r3-CK-jU (t )-dt , (3.1) о где г3 - активное сопротивление цепи заряда кабельной линии ; Ск - ёмкость кабельной линии. Вид функции U (t ), описывающей зарядную кривую, определяется схемой выпрямителя испытательной установки /184/. Для обобщённого анализа использованы относительные единицы: U = U/Uucn , и = t/(r3 Ск). Выражение ( 3.1 ) получено при следующих допущениях : питающее напряжение изменяется по синусоидальному закону ; выпрямительная схема не имеет проводимости в обратном направлении ; постоянные цепи заряда и разряда кабельной линии существенно больше периода Т питающего напряжения, т.е. г3 Ск » Т, гу-Ск»Т - для выпрямительной схемы с умножением напряжения r3-Cy»T, где Су - ёмкость конденсаторов схемы умножения, Гу - сопротивление утечки изоляции кабельной линии. При этом не учитывается активное сопротивление нагрузки (ry ) ис пытательной установки, т.к. для реальных установок отношение г31гу составляет 0,001 -0,01 .
Кривая заряда U (t ) кабельной линии от идеального источника постоянного напряжения имеет вид /172/ U (u)=l-e u . (3.2)
Для реальной испытательной установки функция U (u) при заряде кабельной линии от источника синусоидального напряжения через однополупе-риодный выпрямитель с активным сопротивлением г3 аппроксимируется с погрешностью менее 4 % выражением. U (r) = U t /(3,5 + и ) . (3.3 ) Формула (3.3) справедлива для временной области и 35 и имеет несколько меньшую погрешность по сравнению с аналогичной зависимостью в /185/.
У испытательных установок, имеющих повышающий трансформатор с высоким выходным напряжением - 20 кВ и более, зарядная цепь также характеризуется углом сопротивления р = arctgf со Ls /r3), где со - круговая частота питающего напряжения, Ls - индуктивность рассеяния трансформатора. Реальные установки имеют предельные значения р = 60 +75. В этом случае при однополупериодной выпрямительной схеме для ф = 60 аппроксимация кривой заряда кабельной линии с погрешностью не более 3% имеет вид U (L) =t /(4 + t J . (3.4)
Для испытательных установок использующих несимметричную одно-полупериодную схему выпрямителя с умножением напряжения при активном характере сопротивления зарядной цепи кривая заряда кабельной линии описывается зависимостью 129 {/.(„) = [і- еа" )/ {o,S7-e«« ), (35) где a = l/[l,16 -n -n2) , n - кратность умножения выпрямителя при амплитуде питающего напряжения Um, т.е. Uucn = n-Um.
Задача определения функции U (t ) и заряда кабельной линии (UK) от испытательной установки на базе выпрямителя с умножением напряжения впервые решена в /32/ на основе интегрирования нагрузочной характеристики выпрямителя /186/. Использована нагрузочная характеристика выпрямителя, представленная в /187/.
На основе выражений ( 3.1 ) - ( 3.5 ) получены зависимости изменения испытательного напряжения на кабельной линии в процессе испытания с использованием установок различного типа. В качестве базовых для анализа процесса испытания приняты однополупериодная схема и схема с умножением напряжения при активном сопротивлении зарядной цепи.
Магнитное поле коаксиальной токопроводящей системы с радиальным разрядным каналом
В качестве расчетной модели для качественного анализа процессов в разрядном канале и предварительных количественных оценок выбрана модель повреждения с заполнением места дефекта изоляции кабельной линии трансформаторным маслом пропиточного состава. Предполагается, что при электрических разрядах в жидкой среде остаточное напряжение на кабельной линии будет иметь более высокие значения. Конкретные параметры давления в канале разряда согласно /196/ определяются количеством и скоростью выделения энергии в месте повреждения. Количество энергии, выделяемой в канале разряда в первый момент зависит от напряжения пробоя и ёмкости линии.
Рассмотрим процессы в маслонаполненном разрядном канале при обработке повреждений кабельных линий путем прожигания. При нестационарном процессе горения дуги не учитывается энергия нагрева масла и то-коведущих элементов, а уравнение баланса энергий можно записать в виде /188/ Ад=Ар+Ат+Ас+Ак (3.33) где А# - энергия дуги, определяющая нестационарные процессы; Ар - энергия, затраченная на разложение масла; Ат - энергия нагрева газообразных продуктов до температуры Т; Ас - приращение потенциальной энергии деформации системы, внутри которой горит дуга. Ак - приращение кинетической энергии масла или пропиточного состава. В /188/ показано, что составляющая энергии Ар и Ат, затрачиваемые на создание газового пузыря вокруг дуги, вполне определённы. На 1 кДж энергии объем газового пузыря составляет (50-г80)- Ю-5 м3.
Объем разрядного канала в месте повреждения кабельной линии со ставляет 10-4-100 мм , а энергия, затрачиваемая на создание газового пузыря не превышает 2 Дж. Энергия, выделяющаяся в разрядном канале может составлять десятки Дж, т.е. доля составляющих Ар и Ат незначительна.
Также незначительны составляющие энергии Ас и Ак, ввиду малых геометрических размеров канала разряда. Таким образом, энергия выделяющаяся в разрядном канале идет в основном на нагревание кабеля и процесс прожигания в пределах каждого разряда можно рассматривать как установившийся. В этом случае для сформировавшегося разрядного канала можно записать баланс с мощностей /197/. Pd=Pj + P2+dAd/dt, (3.34) где Р$ - мощность, подводимая к разрядному каналу; Pj - мощность, теряемая на излучение; Р2 - потери мощности за счет теплопроводности; dA /dt - измерение внутренней энергии дуги.
Если время разряда превышает 1 мкс, то канал разряда можно считать сформировавшимся, т.е. внутренняя энергия дуги не меняется. Доля потерь мощности на излучение при коммутировании энергии до 500 Дж также незначительна /197/, поэтому выражение (3.34) имеет вид Рд Р2 (3-35)
Потенциал погасания дуги в месте повреждения является важнейшей характеристикой процесса пробоя разрядного канала и определяет уровень остаточного напряжения на кабельной линии.
Потенциал погасания Un определим через напряженность электрического поля Еп в дуге в момент выполнения равенства (3.35) и длину ак канала разряда U„=En-aK. (3.36) Условие (3.35) можно записать в виде Еп-8п-к-гІ-ак=Рд-2п-г-ак , (3.37) где Sn - плотность тока в разрядном канале к моменту погасания дуги, А/м2; гк - радиус разрядного канала, м; Р$- мощность, отводимая через единицу поверхности разрядного канала, Вт/ м2.
Используя выражение /197/ для плотности тока 8п и удельной мощности Р$ после преобразований запишем F = Тк 10,14 -с -k -ш0 5 г w 72—Z 3-38) гК у е0 -z-M где е0, m - заряд и масса электрона; к - постоянная Больцмана; с - атомная теплоемкость; % - степень ионизации газа; М - молекулярный вес газа в канале разряда после пробоя; ТК - равновесная температура канала разряда.
