Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ конструктивных схем электротехнических устройств контроля технического состояния концевых муфт кабельных линий, методов моделирования переходных процессов и расчета их параметров .
1.1 Анализ конструктивных схем и условий эксплуатации 10
1.2 Отказы концевых муфт кабельных линий, регламенты их технического обслуживания и методы расчета параметров надежности и прогнозирования 14
1.3 Цель и задачи исследования 32
1.4 Выводы 33
ГЛАВА 2. Математическое моделирование переходных процессов в концевых муфтах кабельных линий
2.1 Определение уровня надежности 34
2.2 Математическая модель переходных процессов 39
2.3 Исследование математической модели для определения уровня совместимости электротехнических устройств контроля и электротехнических элементов концевых муфт и прогнозирования технического состояния . 49
2.4 Вывод 55
ГЛАВА 3. Устройство приборов контроля технического состояния концевых муфт кабельных линий
3.1 Электротехническое устройство контроля технического состояния концевых муфт 56
3.2 Обоснование рациональных параметров устройств контроля технического состояния концевой муфты 62
3.2 Определение зависимостей для прогнозирования технического состояния концевых муфт кабельных линий 65
3.3 Выводы 69
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования электротехнического устройства контроля технического состояния концевой муфты
4.1 Планирование эксперимента, методика проведения исследований 70
4.2. Экспериментальные исследование переходных процессов концевой муфты кабельной линии 78
4.3. Результаты прогнозирования и определение остаточного ресурса технического состояния концевых муфт кабельных линий 82
4.4 Выводы 88
Заключение 89
Список литературы 91
- Отказы концевых муфт кабельных линий, регламенты их технического обслуживания и методы расчета параметров надежности и прогнозирования
- Исследование математической модели для определения уровня совместимости электротехнических устройств контроля и электротехнических элементов концевых муфт и прогнозирования технического состояния
- Определение зависимостей для прогнозирования технического состояния концевых муфт кабельных линий
- Результаты прогнозирования и определение остаточного ресурса технического состояния концевых муфт кабельных линий
Отказы концевых муфт кабельных линий, регламенты их технического обслуживания и методы расчета параметров надежности и прогнозирования
Для оценки технического состояния изоляции концевых муфт используются электротехнические устройства контроля, использующие следующие методы контроля физических процессов протекающих в них .
Метод и средства контроля частичных разрядов. Для этого используется электротехническое устройство CSM-1. CSM-1 предназначен для мониторинга состояния изоляции муфт кабельных линий
Электротехническое устройство CSM-1 позволяет: регистрировать ЧР в изоляции концевых и соединительных муфт используя датчики СВЧ диапазона частот, до 1 ГГц, регистрировать частичные разряды в изоляции самого высоковольтного кабеля, используя датчики HF (ВЧ) диапазона частот, от 0,5 до 15,0 МГц, регистрировать ЧР в изоляции муфты акустическим датчиком, работающие на частотах до 100 кГц, Контролировать температуру муфты месте установки прибора CSM-1, регистрировать ток промышленной частоты, протекающий по экрану кабеля, приводящий к дополнительному нагреву кабеля. [1,2] Рис. 1.1 Схема подключения электро-технических устройств типа регистрации частичных разрядов.
Электротехнические устройства контроля частичных разрядов позволяют быстро оценить общее техническое состояние концевых муфт кабельных линий. Однако, как показывает опыт применения в полевых условиях для контроля технического состояния изоляции из полиэтилена, 70 % из всех опасных дефектов нельзя обнаружить методом частичных разрядов. Многие дефекты изоляции не создают частичных разрядов, например, водные триинги, полости с науглероженными стенками, участки кабеля с повышенной проводимостью и т. п.
Метод и средства рефлектометрии. Принцип работы рефлектометра (РМ) заключается в том, что выявляется неоднородность кабельной муфты (дефект) с помощью зондирования ее коротким (десятки наносекунд) низковольтным импульсом. Повышенная точность измерительной аппаратуры, компьютерная обработка информации позволяют определить факт локального изменения емкости участка изоляции и связать его с наличием дефекта. Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, базируется на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных системах связи.
Электро-техническое устройство, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами. [2]
Перед проведением измерений методом импульсной рефлектометрии необходимо проверить участок кабельной линии омметром или мегоометром. Однако такая проверка может быть недостаточной. Например, после воздействия мегоометром на кабель, имеющий растрескавшуюся изоляцию с попавшей влагой, может произойти подсушивание места дефекта. При этом показания мегоометра соответствуют как бы исправному кабелю (сотни и тысячи МОм). После выявления дефектных линий (жил, фаз) мегоомметром переходят к предварительному определению места повреждения методом импульсной рефлектометрии. Это усложняет процесс проведения измерений методом импульсной рефлектометрии и увеличивает количество трудозатрат. Помимо всего прочего для проведения импульсной рефлектометрии необходимо обесточивание кабельной линии и системы в целом, что в свою очередь не дает оперативно выявить дефект в концевой муфте без отключения от источника питания. Метод и средства контроля сопротивления изоляции. Для проверки сопротивления изоляции кабеля, концевых муфт применяют мегомметры на соответствующее напряжение. Электро-техническое устройство представляет собой генератор прямоугольных импульсов с регулируемой частотой и скважностью импульсов выполненный на микросхеме. Регулировка позволяет подстроить работу повышающего трансформатора для получения на выходе устройства нужного напряжения. В приборах старых конструкций, для получения напряжений обычно используется встроенный механический генератор, работающий по принципу динамо-машины. В настоящее время, мегаометры также выполняются в виде электронных устройств, работающих от батарей. [1,2]
Одним из недостатков метода проверки сопротивления изоляции является, то, что перед работой прибора необходимо обесточивание кабельной линии и системы в целом на которой будут производится замеры. Так же знание одного электро-технического состояния того, как сопротивление изоляции концевой муфты недостаточно для определения электротехнического состояния концевых муфт в целом.
Необходимо разработать новые технические решения повышения эффективности функционирования концевых муфт кабельных линий и электротехнических устройств контроля их технического состояния путем обоснования рациональных параметров устройств диагностики. 1.2 Отказы концевых муфт кабельных линий, регламенты их технического обслуживания и методы расчета параметров надежности и прогнозирования
Отказ концевых муфт - явление случайное, но причины, обуславливающие появление отказа, связаны с определенными физическими и физико-химическими процессами, происходящими в материалах и конструкции на разных этапах его жизни. Течение этих процессов зависит как от режимов работы (внутренних условий), так и от внешних условий работы элемента: температуры, влажности, давления и состава окружающей среды, вибрации и ударов, воздействия оптических или радиационных излучений и т.п.
Причиной возникновения катастрофических (полных) отказов является превышение действующими нагрузками критического значения предельно допустимых для данного материала или элемента. Следует учесть, что критическое значение нагрузки для данного материала или элемента не является строго постоянной величиной, а имеет разброс некоторого среднего значения, обычно подчиняющийся нормальному закону. Кроме того среднее значение (и средне квадратичное отклонение) изменяется при воздействии температуры влажности и других физических и физико-химическими факторов.
Сводные данные выхода из строя концевых муфт кабельных линий 6-10кВ ОАО ТГЭС за период с 2007 по 2013 г. [49] можно рассматривать как статистическое распределение выхода из строя концевых муфт кабельных линий. Требуется выровнять это распределение с помощью нормального закона
Исследование математической модели для определения уровня совместимости электротехнических устройств контроля и электротехнических элементов концевых муфт и прогнозирования технического состояния
Определение требуемого уровня надежности основано на техническом уровне разрабатываемых и усовершенствованных электротехнических устройств контроля технического состояния концевых муфт.
Из целевого назначения технической системы «Концевая муфта кабельных линий - электротехнический контроль технического состояния в точках измерения» следует, что система уровнений 1 существующего (С) технического уровня рассматривается по отношению к новому (Н) техническому уровню системы 2 по зависимостям потенциальной реализуемости, определяя соотношения соотвествия уровня ее надежности техническому уровню рахрабатываемых систем [60].
Новый технический уровень системы «Концевая муфта кабельных линий - электротехнический контроль технического состояния в точках измерения» может определяться коэффициентом технического уровня, [60]. Для оценки методом сравнения всех показателей предложен коэффициент ТУ, который характеризует разрабатываемый образец по отношению к существующими аналогами: где - коэффициентом технического уровня; функция, нормирующая вес i-го относительного показателя, входящего в ранжированную последовательность; n – общее число показателей; – относительное значение i-го показателя, значимость которого определяется местом, занимаемым в ранжированной последовательности где соответственно , – уровень совместимости «Концевая муфта кабельных линий – электротехнический контроль технического состояния в точках измерения» нового и существующего технического уровня , – число контролируемых параметров системы концевой где , – муфты устройством нового и существующего технического уровня; , – затраты на техническое обслуживание существующего и нового технического уровня. Требуемый уровень надежности технической системы «Концевая муфта кабельных линий – электротехнический контроль технического состояния в точках измерения» определяет вероятность отказа, соотвествующая требуемому техническому уровню (2.3)вероятность отказа технической системы. Исходя из структуры взаимоувязанных электротехнических механизмов системы «Концевая муфта кабельных линий – электротехнический контроль технического состояния в точках измерения» и равной вероятности отказа, по общеизвестныс зависимостям структурной надежности устанавливаются вероятность ее отказа [5, 19, 83] ( ) (2.4) где ( ) – вероятность отказа функционального электротехнического механизма технической системы, определяемая из конструктивной структуры взаимоувязанных элементов. Расчет уровня показателей надежности концевой муфты ведется по следующим зависимостям где и – допустимое время восстановления концевой муфты, определяемое соответственно свойствами и условиями работы конструкционных материалов и соотвествием их параметров условаиям эксплуатации; ( ) – вероятность поятвления условий работы конструкционных материалов, приводящих к разрушению, износу и деформации элементов концевой муфты; ( ) – вероятность появления условий работы концевой муфты, приводящихк снижению эффективности его эксплуатации или простоям из-за неполного соотвествия параметров ее элементов условиям эксплуатации.
Поскольку простой электротехнических устройств, в данном случае, связан с допустимым временем замены концевой муфты, то исходя их условия равной вероятности ( ) (2.21) Из зависимостей (2.1.1) – (2.1.21) следует, что уровень надежности концевой муфты и технической системы «Концевая муфта кабельных линий – электротехнический контроль технического состояния в точках измерения» определяется надежностью работы конструкционных материалов и их элементов и функциональной надежностью , которые устанавливаются из условия разной вероятности отказа. Зависимости устанавливают связь уровня надежности с параметрами электротехнических устройств и эффективного функционирования концевых муфт. 2.2 Математическая модель переходных процессов Для исследования математических методов математических параметров на основание (2.1.1) – (2.1.21) определены вероятностные характеристики для исследования математической модели переходных процессов и ее реализации.
Физические процессы протекающие в элементах концевых муфт, можно разделить на процессы в изоляции, проводниках, контактах и конструкции. В 78% случаев выхода из строя концевых муфт причиной является дефекты изоляционного материала. Процессы протекающие в изоляции концевой муфты описываются уравнениями движения: ( ) где - постоянная реакция, соответствующая температуре – энергия активации, R – газовая постоянная. Данная зависимость (2.22) как эмпирическая в результате исследования хода реакции от температуры. На основании теоретических исследований Эвингом предложена несколько другая зависимость для скорости химической реакции:
Определение зависимостей для прогнозирования технического состояния концевых муфт кабельных линий
Планирование эксперимента и методика исследований соответствуют проведению исследований в лабораторных и производственных условиях. Исследования концевая муфта и системы "концевая муфта – электротехническое устройство контроля технического состояния концевой муфты" проводились в виде численного эксперимента. В связи с возросшей сложностью заданных им свойств основано на минимуме расходуемых ресурсов испытаний, обеспечивающих получение требуемых показаний надежности путем использования функциональной избыточности /6, 19, 10-13/. В качестве показателей функциональной избыточности в параметрической модели отказов системы нагрузка – прочность и износ – прочность принят коэффициент запаса (надежности) Kн. Выделяя параметр х, характеризующий работоспособность электротехнических устройств, и, имея его предельное значение х , при достижении которого наступает отказ, функцию распределения определяющего параметра F(x) и условие работоспособности х х то оценка вероятности безотказной работы электротехнических устройств где - квантиль нормированного распределения. Нижнее значение вероятности безотказной работы (4.2) где - нижнее значение квантили, соответсвующее заданной доверительной вероятности у . При нормальном законе распределения параметра наиболее просто аналитически определяется минимальное число испытаний. Если значения аспределены не по нормальному закону, то можно от параметра перейти к параметру , значение которого распределены по нормальному закону. В общем случае нижняя граница для квантили нормального распределения где ( у Я) - нижняя доверительная граница для параметра нецентрального распределения Стьюдента, -число испытаний, у - уровень доверительной вероятности. Для приближенных расчетов более удобно пользоваться равенством
Из зависимостей (4.5), (4.8) и (4.9) следует, что при большом числе испытаний подтвердить высокие значения вероятности безотказной работы гидроагрегатов можно только при больших значениях коэффициента КН (рис. 4.1). Уменьшение числа испытаний гидроагрегатов возможно за счет увеличения КН. Однако уменьшить число испытаний, необходимых для подтверждения требуемого уровня надежности за счет увеличения КН не всегда возможно и целесообразно. В общем случае должны учитываться затраты как на увеличение КН, так и на увеличение п. Анализ полученных зависимостей при и г = 0, где а Я , показал, что можно найти минимальное значение коэффициента Кн, при котором подтверждается требуемый уровень надежности. Получено уравнение
Исходя из физического смысла Kн, значения x могут находиться в интервале [0,1]. Поэтому для каждого v существует такое предельное h , которое невозможно превзойти ни при каких значениях Kн, т.е. для каждого v существует такое предельное значение вероятности безотказной работы P , которое нельзя подтвердить ни при каких значениях Kн
По зависимостям (4.1) – (4.17) и исходным данным (рисунок 4.1, рисунок 4.2, рисунок 4.3) определен диапазон изменения = 0,9 – 0,95 которому соотвествует минимальное число испытаний n = 25 – 36, и при непрерывной записи процесса, интервал между точками отсчета выбирается из условия = 0,9 достаточности объема n = 103.
При проведении экспериментальных исследований режимов работы концевая муфта и системы "концевая муфта – электротехническое устройство контроля технического состояния концевой муфты" контроля температуры, сопротивления и толщины изоляции.
Для оценки адекватности теоретических и экспериментальных исследований и эффективности обобщённой математической модели режимов работы концевая муфта и системы "концевая муфта – электротехническое устройство контроля технического состояния концевой муфты" для одних и тех же условий эксплуатации проведено сравнение осциллограмм полученных в результате расчётов и проведения эксперимента.
Отклонения теоретических и экспериментальных исследований носят случайный характер, и они являются случайными величинами. Если отклонения теоретических и экспериментальных исследований осциллограмм представить в относительных единицах , т.е. то относительные значения отклонений можно отнести к одной генеральной совокупности, где (т) – теоретические величины осциллограмм; (э) – экспериментальные величины осциллограмм.
Для проверки разработанных устройств диагностики и мониторинга были произведены натурные эксперименты. Результаты, полученные при применении вновь разработанных устройств, полностью совпали с результатами расчета по схемам замещения (табл. 4.3). 4.3. Результаты прогнозирования и определение остаточного ресурса технического состояния концевых муфт кабельных линий.
Для достижения целей диагностирования, укажем параметры, на основании которых можно сделать выводы о техническом состоянии концевых муфт кабельных линий. Указанные зависимости были найдены автором на основе анализа открытых источников и математических экспериментов.
Отклонение для сопротивления изоляции в пределах 7% является нормальным. Отклонения в пределах 7-12 % показывает зарождение разрушающих процессов, но не требуется отключение концевой муфты от сети и ремонта. Отклонения 12-16 % сигнализируют об опасности, подается сигнал оператору. Необходимо выполнить мероприятия по выводу концевой муфты в ремонт без отключения ответственных потребителей от сети. Отклонения 17% - аварийное отключение концевой муфты от сети. [84, 86, 87]
Результаты прогнозирования и определение остаточного ресурса технического состояния концевых муфт кабельных линий
Для измерения нормально толщины изоляции концевой муфты ниже приведены таблицы соответствия типа кабеля и концевой муфты, используемых при монтаже. Для определения нормальной толщины изоляции необходимо вычислить Hиз. Hиз = A+B+C; где А – толщина изоляции жилы кабеля, В – толщина поясной изоляции, С толщина концевой муфты. В зависимости от монтажа значение В – не используется.
При снижение Hиз на 10-15% концевую муфту необходимо взять под контроль и провести внеплановый визуальный осмотр. При снижение толщины изоляции концевой муфты 15-20% необходим срочный вывод её в ремонт.
Существенное старение происходит при температуре свыше 100С. Выявлены критические температуры наиболее нагретых точек изоляции при отсутствии перегрузки - 100 С, при кратковременной 130 С, при длительной 90 С.
Статистическая обработка диагностического параметра P и tPi, позволяет определить исходные данные аппроксимирующей функции и остаточного ресурса.
Сравнивая расчеты остаточного и технического ресурса испытуемой концевой муфты имеем отклонение 14,5%. Следовательно расхождение между теоретическими и экспериментальными исследованиями не превышает 15%, что допускается в инженерных расчетах и подтверждает правильность установленного требуемого уровня надежности системы концевая муфта – устройство контроля технического состояния концевой муфты. На основании показаний устройств были сделаны следующие заключения: - требуется замена на новый – 2 шт (13 %) - № 7, 15; - требуется капитальный ремонт – 6 шт (40 %) - № 4, 8, 11, 13, 14.; - нормальное состояние – 7 шт (47 %) - № 1, 2, 3, 5, 6, 9, 10, 12. 4.4. Выводы
1. Проведено планирование эксперимента и обоснована надежность получения требуемого объема их проведения.
2. Разработана электрическая схема и методика для проведения экспериментальных исследований и прогнозирования технического состояния концевой муфты кабельной линии под нагрузкой путем аппроксимации динамики активных, индуктивных составляющих их полных сопротивлений экстраполяционными степенными полиномами, позволяющая выявить зарождение и развитие дефектов.
3. Проведена обработка экспериментальных исследований и определена адекватность теоретических и экспериментальных исследований, которая показала, что расхождение не превышает 15%, что допускается в инженерных расчетах ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой законченную научно квалификационную работу, в которой поставлена и решена задача обоснования рациональных параметров контроля технического состояния концевых муфт, установления зависимостей для обеспечения требуемого уровня совместимости электротехнических устройств контроля технического состояния и элементов концевых муфт, учитывающих в комплексе факторы изменения температуры, сопротивления, толщины изоляции для повышения эффективности контроля технического состояния концевых муфт кабельных линий.
Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем: 1) выполнен анализ существующих методов и электротехнических устройств контроля концевых муфт, приведена классификация дефектов с сортировкой по узлам конструкции, указаны причины их возникновений и к каким последствиям это приводит. Выявлено, что существующие методы не всегда возможно применить в современных условиях, т.к. в большинстве они требуют отключения концевых муфт от сети, не выявляют дефекты на ранних стадиях; 2) разработана математическая модель переходных процессов в концевых муфтах кабельных линий, учитывающие в комплексе параметры толщины, сопротивления и температуры изоляции концевой муфты; 3) определены и обоснованы рациональные параметры электротехнических устройств контроля технического состояния концевых муфт, учитывающие в комплексе температуру, сопротивление и толщину изоляции; 4) разработана методика контроля технического состояния концевой муфты на основе динамики температуры, сопротивления и толщины изоляции; 5) разработана методика прогнозирования технического состояния концевых муфт , путем аппроксимации динамики активных составляющих их полных сопротивлений экстраполяционными степенными полиномами, позволяющая выявить зарождение и развитие дефектов; 6) приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность полученных моделей и зависимостей (погрешность 14,5%) диагностики электротехнических элементов. Годовой экономический эффект от применения разработанного устройства, за счет увеличения межсервисного интервала и высокой достоверности информации о техническом состоянии и своевременного выявления дефектов составил 23 тыс. руб на одну концевую муфту.
