Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эффективности эксплуатции кабельных линий на современном этапе 16
1.1. Краткая характеристика кабельных сетей исследуемых предприятий 16
1.2. Организация эксплуатации кабельных линий на примере Кемеровской городской электрической сети 21
1.2.1. Анализ статистических данных третьего сетевого района г. Кемерово 22
1.2.2. Анализ отказов кабельных линий в Кемеровской городской электрической сети 24
1.3. Повреждаемость кабельных линий в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» 30
1.4. Исследование повреждаемости кабельных линий в КО АО
«Азот» и на Макеевском металлургическом заводе 41
1.4.1. Анализ отказов кабельных линий в КО АО «Азот» 41
1.4.2. Эксплуатационные закономерности изменения тока утечки и сопротивления изоляции кабельных линий 45
1.4.3. Исследование и определение периодичности испытаний кабельных линий в КО АО «Азот» и на Макеевском металлургическом заводе 1.5. Повреждаемость кабельных линий в Новомосковской акционерной компании «Азот» 57
1.6. Анализ отказов кабельных линий в ОАО «ЗСМК» 62
1.7. Выводы по главе 1 72
Глава 2. Анализ методов контроля изоляции кабельных линий 74
2.1. Дефекты кабельной изоляции и виды ее пробоя 76
2.1.1. Краткие сведения о кабельной изоляции з
2.1.2. Классификация дефектов и причин, вызывающих их возникновение в кабельных линиях 80
2.1.3. Виды пробоя кабельной изоляции 86
2.2. Методы разрушающего контроля 92
2.2.1. Методы контроля с отключением кабельных линий 94
2.2.1.1. Испытание повышенным напряжением промышленной частоты 94
2.2.1.2. Испытание силовых кабелей импульсным напряжением 95
2.2.1.3. Испытание кабельных линий повышенным напряжением выпрямленного тока 99
2.2.1.4. Испытание кабелей повышенным напряжением выпрямленного тока по двухполярной схеме 104
2.2.1.5. Испытание на постоянно-переменном токе 105
2.2.2. Испытания без отключения кабельных линий от сети 106
2.2.2.1. Испытание под рабочим напряжением 106
2.2.2.2. Метод замыкания фазы на землю 109
2.2.2.3. Метод искусственно созданных перенапряжений 109
2.3. Неразрушающие методы контроля ПО
2.3.1. Измерение сопротивления изоляции ПО
2.3.2. Измерение коэффициента абсорбции 116
2.3.3. Контроль состояния изоляции по значению емкости 117
2.3.4. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь 119
2.3.5. Контроль изоляции по интенсивности частичных разрядов 120
2.3.6. Тепловизионный метод контроля 126
2.3.7. Метод измерения и анализа возвратного напряжения 127
2.4. Выводы по главе 2 128
Глава 3. Разработка метода неразрушающего контроля изоляции кабельных линий 129
3.1. Рефлектометрический метод 129
3.1.1. Метод импульсной рефлектометрии 130
3.1.2. Метод высокочастотной рефлектометрии 140
3.2. Выводы по главе 3 161
Глава 4. Разработка оптимальной модели профилактики кабельных линий с использованием метода высокочастотной рефлектометрии 162
4.1. Модель профилактики с использованием испытаний повышенным напряжением выпрямленного тока 163
4.1.1. Анализ существующих методик по выбору уровня испытательного напряжения 164
4.1.2. Определение уровня испытательного напряжения на основе технико-экономических показателей 167
4.1.3. Анализ существующих методик определения периодичности испытаний 170
4.1.4. Определение периодичности испытаний по изменению прогнозирующего параметра 182
4.1.4.1. Выбор прогнозирующего параметра 185
4.1.5 Модель оптимальной профилактики кабельных линий на основе метода высокочастотной рефлектометрии 187
4.1.5.1. Определение критического значения емкости локального дефекта изоляции кабеля 198
4.3. Модель профилактики кабелей, эксплуатируемых в увлажненной среде с прерывистым циклом работы 202
4.4. Выводы по главе 4 207
Глава 5. Анализ повреждаемости кабельных муфт и способы повышения их надежности 211
5.1. Повреждения концевых муфт и методы выравнивания электрического поля на конце кабеля 211
5.1.1. Способы регулирования электрического поля в изоляции муфт 216
5.2. Анализ кабельных муфт, применяемых в электрических сетях промышленных предприятий и городов 222
5.3. Анализ методов расчета электромагнитных полей в кабельных муфтах 229
5.3.1. Цели расчета электрических полей 229
5.4. Методы натурного моделирования электрических полей 233
5.4.1. Особенности моделирующих устройств 233
5.4.2. Модели на основе проводящей бумаги 235
5.4.3. Сеточные модели 235
5.4.4. Модели на основе жидких проводящих сред 236
5.4.5. Численные методы расчета электрических полей 237
5.4.5.1. Метод конечных разностей 239
5.4.5.2 Вариационные методы 242
5.4.5.3. Метод интегральных уравнений 243
5.4.5.4. Метод эквивалентных зарядов 247
5.4.5.5. Методы конечных элементов
5.5. Выбор расчетного метода 251
5.6. Методы Галёркина
5.6.1. Конечноэлементная аппроксимация 254
5.6.2. Проекционная формулировка конечноэлементных методов 260
5.6.2.1. Метод Галёркина с конечными элементами 262
5.6.4. Применение метода Галёркина с конечными элементами к эллиптическому дифференциальному уравнению
в частных производных 264
5.7. Определение оптимальных размеров выравнивающего
конуса 267
5.7.1. Постановка задачи 267 5.7.2. Математическая модель электромагнитного поля в
концевой муфте 271
5.7.2.1. Квазистационарное приближение уравнений
электромагнитного поля 271
5.7.3. Постановка граничных условий в концевой муфте 275
5.8. Выводы по главе 5 291
Глава 6. Ранговый анализ техноценозов «кабельная сеть» промышленных предприятий и городов 292
6.1. Постановка задачи 292
6.2. Ранговый анализ техноценоза кабельная сеть 3-10 кВ ОАО «ЗСМК» 295
6.3. Прогнозирование отказов кабельных линий 6-10 кВ
в Кемеровской городской электрической сети 306
6.4. Выводы по главе 6 309
Заключение 313
Литература
- Анализ отказов кабельных линий в Кемеровской городской электрической сети
- Классификация дефектов и причин, вызывающих их возникновение в кабельных линиях
- Метод высокочастотной рефлектометрии
- Определение периодичности испытаний по изменению прогнозирующего параметра
Введение к работе
Актуальность темы. Внедрение современных технологий и совершенствование существующего промышленного производства, рост электропотребления у населения и в сфере услуг, повышение экологических требований ведут к ежегодному росту электропотребления на 2-5 % по регионам Российской Федерации Это увеличивает протяженность сетей передачи и распределения электрической энергии, и в частности, кабельных линий (КЛ), которым отводится значительная роль в системах электроснабжения промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства на крупных предприятиях и в крупных городах они стали практически единственным способом передачи и распределения электроэнергии КЛ относятся к дорогостоящим, ответственным и долговременным элементам систем электроснабжения Большинство объектов таких отраслей промышленности как химическая, нефтехимическая, металлургическая, потребители многих организаций, служб жилищно-коммунального хозяйства по требованиям к обеспечению электрической энергией относятся к потребителям первой категории При сохранении потребителей второй категории и уменьшении третьей появились объекты, требующие три независимых ввода (источника питания) при двух и более резервных генерирующих мощностях Это увеличивает кабельные потоки Поэтому повышение надежности силовых КЛ - одна из важнейших задач обеспечения надежного электроснабжения потребителей.
Как известно, запас прочности кабелей предлагается по результатам научных исследований, рассчитывается на стадии конструирования и проектирования, а при изготовлении заводом электротехнической промышленности принимает конкретное значение Этот запас и определяет уровень надежности кабелей в эксплуатационных условиях Увеличение уровня эксплуатационной надежности можно достигнуть совершенствованием технологии производства (изготовления), применением новых изоляционных материалов, конструкций и оболочек кабелей Однако создать абсолютно надежное кабельное изделие невозможно технически и не оправданно экономически Поэтому основной задачей при эксплуатации кабеля является сохранение его запаса прочности, точнее, поддержание уровня надежности, заложенной заводом-изготовителем на рассчитываемый срок
В реальных условиях эксплуатации на протяженный кабель воздействует множество разрушающих факторов, большинство из которых являются случайными Эти воздействия ведут к снижению уровня надежности КЛ Для сохранения нормативного ресурса или для повышения эксплуатационной надежности силовых кабелей до требуемого уровня применяют разнообразные мероприятия К ним можно отнести защиту кабелей в траншеях и при открытой прокладке, строительство защитных кабельных сооружений (кабельные туннели и каналы, кабельные эстакады, шахты и др ), повышение квалификации обслуживающего персонала, повышение технической оснащенности служб, занимающихся профилактикой, монтажом и ремонтом электрических сетей
Однако это не исключает отказа кабелей из-за естественного старения
изоляции, наличия в них заводских дефектов, механических и иных ошибочных воздействий При серийном производстве и массовом применении кабелей имеется вероятность появления в их изоляции дефектов из-за разного рода ошибок, возникающих как в процессе изготовления, транспортировки, монтажа, так и во время эксплуатации, вследствие неучтенных внешних воздействий, изменения уровня поверхностных вод и роста агрессивности грунта, обычные для городов и металлургической промышленности Поэтому, чтобы существенно снизить вероятность аварийного повреждения изоляции кабеля, используется система контроля их состояния на основе различных профилактических мероприятий
КЛ - наиболее трудно проверяемые элементы системы электроснабжения на предмет их технического состояния Несмотря на это, исследование их изоляции в условиях эксплуатации имеет большую практическую значимость и является обязательным
Большой вклад в исследование хапактепа отказов и обеспечение надежности кабельных линий, разработку и внедрение методов контроля изоляции электрооборудования внесли работы П В Борисоглебского, С М. Братина, А.И Долгинова, В И Погарского, В Ф Воскресенского, М Е Иерусалимова, И А Сыромятникова, А.А Косовского, А М Залесского, Г И. Лысаковского, С С Городецкого, В Б Кулаковского, Р М. Лакерника, В Т Рене, К С. Архангельского, Г.И Разгильдеева, С А Бажова, Л Г Мамиконянца, П И Сви, Ю С Пин-таля, AM Хомякова, МИ Рапопорта, СН Койкова, ГС Кучинского, ГМ Шалыта, В С Дмитревского и др
Возникающие в последнее время аварии в электроэнергетике России и других стран приводят к нарушению электроснабжения промышленных и бытовых потребителей и, как следствие, к большому экономическому ущербу Одной из главных причин аварий является моральный и физический износ электрооборудования и электрических сетей В частности, более 95 % кабельных линий 3-6-10-20 кВ в России выполнены кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией По различным данным моральный и физический износ КЛ 6-Ю кВ в системах электроснабжения составляет 40-90 %
Если анализировать статистику отказов КЛ различных напряжений и степень их влияния на возникающие убытки, то наибольшие убытки возникают при отказах КЛ 6-Ю кВ, на которые приходится около 70 % всех нарушений электроснабжения потребителей. Поэтому особое внимание к высоковольтным кабелям среднего напряжения объясняется тем, что они составляют абсолютное большинство силовых кабелей промышленных предприятий и городов - это ключевое звено отечественной и мировой энергетики
На первый взгляд решение этой проблемы заключается в замене кабелей, выработавших свой ресурс, новыми и современными кабелями, например из сшитого (вулканизированного) полиэтилена (СПЭ), нормативный срок службы которых составляет 50 лет Замена всех кабелей в течение фиксированного времени (несколько лет) потребует больших затрат, превышающих стоимость первоначальной прокладки Поэтому речь идет о продлении времени эксплуатации проложенных кабелей В этом случае возникает вопрос о надежности существующих КЛ, их остаточном ресурсе для дальнейшей работы
Существующая система контроля изоляции повышенным напряжением выпрямленного тока малоэффективна Актуально решение проблем, связанных с переходом на систему неразрушающей диагностики Система даст возможность классифицировать КЛ по их остаточному ресурсу, снизит аварийность Диагностика позволит реально увеличить срок службы КЛ сверх нормативного срока и с большой экономией обеспечить их техническое обслуживание и ремонт Выявление наиболее ответственных кабелей, установление очередности диагностики, кратко- и долгосрочное планирование (проектирование) замены КЛ делает, с одной стороны, актуальной разработку стратегии, опирающуюся на техноценологические представления и обеспечивающую постепенную в течение 10-20 лет замену КЛ новыми кабелями, с другой, организацию эффективной эксплуатации (менеджмента) всего множества (сообщества) существующих и прокладываемых кабелей выделенного объекта (крупное предприятие в целом, город, округ в целом)
Изложенное обусловило актуальность решения научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, которое заключается в повышении надежности кабельных сетей 6-10 кВ промышленных предприятий и городов путем создания эффективной системы профилактики КЛ на основе новых не-разрушающих методов диагностики
Цель работы — научное обоснование технических, технологических и техноценологических решений по повышению эффективности функционирования кабельных линий 6-Ю кВ крупных промышленных предприятий и городов за счет комбинированных средств контроля их изоляции и улучшения менеджмента кабельных сетей
Задачи исследований:
определить современный уровень эксплуатации кабельных линий, оценить эффективность системы их профилактического обслуживания, опираясь на полученные статистические и обработанные экспертные данные,
классифицировать кабельные дефекты, причины отказа КЛ, методы контроля изоляции и современные модели профилактики КЛ,
с технико-экономической точки зрения сформулировать требования к методам профилактических испытаний и на их основе оценить эффективность существующих и вновь предлагаемых методов диагностики КЛ,
разработать метод неразрушающей диагностики изоляции КЛ, отвечающий современным рыночным требованиям экономии ресурсов и требованиям надежного электроснабжения,
разработать оптимальную модель профилактики КЛ, использующую наиболее эффективный метод диагностики и включающую алгоритм стратегии замены кабелей, отработавших остаточный ресурс, на новые кабели,
создать математическую модель расчета электромагнитного поля в трехмерном пространстве в разделке кабеля для обоснования выбора выравнивающего конуса (ВК) с целью уменьшения максимальной напряженности электрического поля в концевой муфте и разработать методику расчета ее оптимальных размеров,
с учетом замены отработавших остаточный ресурс кабелей на новые,
провести ранговый ценологическии анализ, охватывающий существующие и прокладываемые кабели, для выделения ответственных, установления очередности замены и отказа от обслуживания определенных групп на длительный период времени,
- разработать и внедрить методику повышения устойчивости техноценоза
- «Кабельная сеть» крупного промышленного предприятия и «Кабельная сеть>/
города (округа) в целом
Методы исследований. В работе решение поставленных задач осуществлено на основе теоретического, эмпирического и экспериментального методов исследований
Теоретический метод включает научное обобщение и анализ теоретических исследований по изучению методов выравнивания электрического поля в кабельной муфте, методы диагностики изоляции КЛ, модели профилактики, методы построения оптимального техноценоза
Эмпирический метод включает выдвижение статистической гипотезы, выбор и описание объектов исследования, обработку результатов классическими методами теории вероятностей и математической статистики, модели видового и рангового ценологического анализа, имитационное моделирование, теорию оптимального планирования
Экспериментальный метод включает численное моделирование распределения электромагнитного поля в трехмерном пространстве кабельных концевых муфт с помощью конечно-элементных методов расчета напряженности электрического поля для определения размеров и формы образующей выравнивающего конуса, имитационное моделирование предлагаемого метода диагностики изоляции КЛ, проведение натурных испытаний по результатам исследований
Объект исследований - системы электроснабжения крупных промышленных предприятий и городов.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующих положениях
- проведено комплексное исследование эффективности существующего
профилактического контроля изоляции КЛ в системах электроснабжения про
мышленных предприятий и городов, охватывающее все множество проложен
ных высоковольтных кабелей объекта,
впервые разработаны классификации кабельных дефектов, внешних воздействий на КЛ и методов контроля изоляции КЛ,
впервые проведено компьютерное моделирование электрического поля в разделке трехжильного кабеля в трехмерном пространстве при переменном напряжении с учетом влияния полей жил друг на друга,
предложена геометрия конструкции выравнивающего конуса, отличающаяся от разработанной на кафедре ТОЭ и электрофизики МЭИ (ТУ) совместно с лабораторией кабельной арматуры ОАО «НИИпроектэлектромонтаж»тем, что в качестве образующей выравнивающий конус, имеет показательную функцию Это позволяет в большей степени уменьшить максимальную напряженность в концевой муфте
разработана методика расчета оптимальных размеров ВК на основе моделирования электромагнитного поля в трехмерном пространстве,
впервые сформулированы требования к методам профилактического контроля изоляции КЛ,
разработан новый неразрушающий метод высокочастотной рефлектометрии для диагностики изоляции КЛ 6-Ю кВ, наиболее полно отвечающий поставленным в работе требованиям,
разработана оптимальная модель профилактики кабельных линий на основе метода высокочастотной рефлектометрии с информационно-программной реализацией,
разработана методика определения периодичности испытаний КЛ, работающих в увлажненной среде с прерывистым циклом работы,
разработана методика повышения устойчивости техноценозов - «Кабельная сеть» промышленного предприятия и «Кабельная сеть» города, имеющих свою специфику
Достоверность подученных результатов определяется корректностью постановки задачи, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам, хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными исследований и испытаний лабораторных и промышленных образцов
Практическая ценность работы. На основе анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан неразрушающий метод диагностики изоляции кабельных линий - метод высокочастотной рефлектометрии. который обеспечивает разработку оптимальной модели профилактики КЛ На основе компьютерного моделирования электрического поля в трехмерном пространстве в разделке кабеля разработана методика расчета размеров выравнивающего конуса для концевой кабельной муфты Построены оптимальные техноценозы - «Кабельная сеть» промышленного предприятия (города), что дает возможность разработки стратегии замены существующих кабельных линий Результаты аналитических и экспериментальных исследований внедрены на промышленных предприятиях, а также включены в лекционные курсы, учебники и методические указания для выполнения лабора-торно-практических занятий, курсовых работ
На защиту выносятся следующие основные положения:
разработка нового метода неразрушающей диагностики КЛ - метода высокочастотной рефлектометрии,
разработка модели профилактики КЛ с применением диагностики методом высокочастотной рефлектометрии и прогнозирования их состояния изоляции, включающая алгоритм постепенной замены кабельных линий, выработавших свой ресурс, новыми кабелями, с учетом способа их прокладки, определяемого совокупностью воздействий разрушающих факторов, а также позволяет улучшить менеджмент кабельной сети,
3) разработка методики определения оптимальных размеров выравни
вающего конуса на основе моделирования электромагнитного поля в трехмер-
ном пространстве для кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией с целью повышения надежности концевых муфт,
необходимость и эффективность применения техноценологического подхода при исследовании КЛ 6-10 кВ систем электроснабжения городов и промышленных предприятий с целью создания устойчивых ценозов и получения долгосрочного прогноза отказов КЛ в работе,
повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий и городов за счет новых технических решений и менеджмента, повышающего эффективность работы электротехнических служб.
Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического и электротехнического оборудования (г Москва,
г), на юбилейной научной конференции Московского энергетического института (г Москва, 1980 г), на заседании энергетического факультета университета технического прогресса ПО «Салаватнефтеоргсинтез» (г. Салават,
г), на научно-технических семинарах кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) (1980, 1981, 2005-2007 г.г), на расширенных научно-технических семинарах кафедры Электротехники и электрооборудования Кемеровского технологического института пищевой промышленности (1981-2007 г г), на международной научно-технической конференции «Электрификация металлургических предприятий Сибири» (г Новокузнецк, 2004 г), на семинаре энергетиков металлургической промышленности (г. Москва, 2005 г), на Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г Новочеркасск, 2006 г), на XI Международной конференции "Ценоз как объект новой научной картины мира" (г Москва, 2006 г), на седьмой Международной научно-практической конференции «Моделирование Теория, методы и средства» (г Новочеркасск, 2007 г), на общероссийской научно-практической конференции МЭИ (ТУ) «Электрификация история, настоящее, будущее», посвященная 100-летию со дня рождения основателя кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» - проф А.А. Федорова (г Москва, 2007 г)
Публикации. Результаты исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 50 опубликованных работах, в том числе в трех монографиях и имеют приоритет, подтвержденный двумя патентами
Объем и структура работы. Диссертационная работа выполнена на 350 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, 3-х приложений, содержит 146 рисунков, 23 таблицы, 389 наименований литературных источников
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат сбор, обработка и анализ статистических данных по определению разрушающих факторов, влияющих на отказы КЛ, на промышленных предприятиях [7,10,14,15,18,46], постановка, моделирование и решение задачи диагностики изоляции асинхронных двигателей неразрушаюшим методом контроля [17,20,21,22,23], анализ литературных источников, математическое опи-
сание, экспериментальное исследование по разработке метода высокочастотной рефлектометрии для диагностики изоляции КЛ [1,5,26,27,33,37], постановка задачи и создание алгоритма оптимальной модели профилактики КЛ на основе неразрушающих методов контроля изоляции КЛ [4,12,24,31], постановка задачи, компьютерное моделирование и разработка методики определения оптимальных размеров выравнивающего конуса для концевых муфт [8,30,32,34,35,36,38,41,44,49], ранговый анализ статистических данных по КЛ, разработка методики повышения устойчивости техноценоза «Кабельная сеть» промышленного предприятия, города [7,45], заземление и электрокоррозия [16,19], математическое описание модели [24]
Анализ отказов кабельных линий в Кемеровской городской электрической сети
Анализ статистики отказов КЛ за 16 лет наблюдения показал, что количество пробоев изоляции между фазой и землей составило 63,3 %, между фазами -12,7 % и 24 % приходится на кабели, поврежденные механическим путем и по неизвестной причине. Эти данные взяты из журнала учета аварий. Как и в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» много отказов приходится на КЛ, проложенные в земле. Довольно часто отказывают соединительные и концевые муфты. Особенно низкую надежность имеют эпоксидные соединительные муфты, поэтому в последнее время вновь монтируются свинцовые муфты. В течение года на предприятии устанавливается в среднем до 30 соединительных муфт. Из всех муфт примерно 65 % было установлено в результате пробоев при испытаниях, а 35 % из-за пробоев в эксплуатации и повреждений КЛ по механическим причинам.
На рис. 1.18 приведено распределение числа установленных соединительных муфт по годам эксплуатации (данные взяты из журнала регистрации соединительных муфт). Всего за 14 лет эксплуатации было установлено 603 муфты, причем в 1978 году количество установленных муфт зафиксировано за неполные 6 месяцев. Больше всего муфт было установлено в 1967 году. В последующие годы количество монтируемых муфт уменьшается, и за последние 5 лет оно стабилизируется.
Из журнала регистрации соединительных муфт были выделены отказы кабелей в целом месте, затем построено их распределение по годам эксплуатации (рис. 1.19). Общее количество отказов кабелей в целом месте в эксплуатационных условиях составило 313. Это распределение подобно распределению муфт на рис 1.18, хотя их максимумы по времени не совпадают. Такое положение легко объяснимо, поскольку при пробое кабеля в целом месте устанавливается одна или две соединительных муфты (когда повреждается кабель на расстояние до нескольких метров). В последнем случае поврежденный участок заменяется новым отрезком кабеля (кабельной вставкой), что обуславливает установку двух соединительных муфт. Сочетание установки одной или двух соединительных муфт на одно повреждение кабеля привело к несоответствию максимумов этих распределений. 0,25
Характерные для обеих гистограмм три периода увеличения наблюдаемых событий (1965-69 гг., 1970-73 гг. и 1974-77 гг.) можно объяснить временем приработки вновь вводимых КЛ.
Основной причиной повреждения соединительных муфт являются несовершенство их конструкции и дефекты монтажа. Поэтому, часто при вскрытии наблюдается течь пропитывающего состава в «шейке» муфты, где, как правило, и возникают пробои. 31,2 % отказов КЛ в эксплуатации приходится на концевые муфты (см. табл. 1.7), которые еще чаще пробиваются при профилактических испытаниях. При монтаже концевых муфт секторные жилы кабеля опрессовывают-ся на предприятии круглыми наконечниками без предварительного округления жил, как это рекомендовано в [10]. Это приводит к недостаточному электрическому контакту между жилой и наконечником. В результате происходит значительный нагрев жилы и изоляционного материала, и, как следствие - электрический пробой в концевой муфте. Для устранения этого недостатка необходимо
Гистограмма распределения соединительных муфт по годам эксплуатации Характерные для обеих гистограмм три периода увеличения наблюдаемых событий (1965-69 гг., 1970-73 гг. и 1974-77 гг.) можно объяснить временем приработки вновь вводимых КЛ.
Основной причиной повреждения соединительных муфт являются несовершенство их конструкции и дефекты монтажа. Поэтому, часто при вскрытии наблюдается течь пропитывающего состава в «шейке» муфты, где, как правило, и возникают пробои. 31,2 % отказов КЛ в эксплуатации приходится на концевые муфты (см. табл. 1.7), которые еще чаще пробиваются при профилактических испытаниях. При монтаже концевых муфт секторные жилы кабеля опрессовывают-ся на предприятии круглыми наконечниками без предварительного округления жил, как это рекомендовано в [10]. Это приводит к недостаточному электрическому контакту между жилой и наконечником. В результате происходит значительный нагрев жилы и изоляционного материала, и, как следствие - электрический пробой в концевой муфте. Для устранения этого недостатка необходимо
На рис. 1.20-1.22 представлены кривые изменения во времени соответственно для сопротивления изоляции между фазой и землей, сопротивления изоляции между фазами и тока утечки. Каждая кривая получена путем усреднения рассматриваемых характеристик для нескольких кабелей по замерам в один и тот же месяц эксплуатации и аппроксимации по методу наименьших квадратов. Аппроксимация производилась функциями вида:
Классификация дефектов и причин, вызывающих их возникновение в кабельных линиях
На рис. 2.5 из [46] показаны две температурные области, в которых диэлектрик ведет себя по-разному. Область 1 (температура диэлектрика Тд Ткр) соответствует чисто электрическому пробою, при этом пробивная напряженность (Епр) не зависит от температуры и времени воздействия напряжения. Область 2 соответствует тепловому пробою, и пробивная напряженность зависит как от температуры, так и от длительности воздействия напряжения. Следует отметить противоречивость взглядов на физику теплового и электрического пробоев в литературе. Так, если в [46; 227] утверждается независимость электрического пробоя от температуры при Тд Ткр, то в [72; 124] авторы на основе общепринятой теории Фрелиха (теория быстрых электронов) показывают зависимость Епр от температуры в этом интервале.
Однако, теории квантовой механики Фрелиха и Хиппеля (теория медленных электронов) хотя и объясняют многие экспериментальные факторы, являются незаконченными, так как содержат ряд противоречий [72] и расчетная величина Епр по этим теориям получается заниженной по Фрелиху или завышенной по Хиппе-лю-Каллену.
Электрический пробой наиболее вероятен в области наибольшей неравномерности или в местах с наибольшим градиентом электрического поля, а тепловой пробой - в области наихудшего теплоотвода в изоляции [124].
В [54] рассматриваются два отдельных вида электрического пробоя твердых диэлектриков: 1) электрический пробой однородных макроскопических диэлектриков; 2) электрический пробой неоднородных диэлектриков. Второй вид пробоя характерен для технических диэлектриков и поэтому применим для иллюстрации пробоя изоляции кабелей.
Важной особенностью теплового пробоя является зависимость приложенного напряжения от температуры. Приложенное напряжение вызывает потери энергии в изоляции. На постоянном напряжении потери в диэлектрике обусловлены релаксационными процессами и омической проводимостью материала (G), а на переменном напряжении - тангенсом угла диэлектрических потерь. С ростом температуры увеличиваются значения G, tgS и при некотором напряжении возникает неустойчивое тепловое состояние диэлектрика. Увеличение G и tgS вызывает увеличение тепла, выделяемого в диэлектрике, что ведет к его дополнительному нагреву. Когда тепловыделение в изоляции из-за электрических потерь превышает отвод тепла в окружающую среду, то может возникнуть ее термическое разрушение.
Как отмечается в [124], термин «тепловой пробой» не вполне точен, так как пробой всегда имеет электрическую природу, а тепловой пробой наступает в ре 91
зультате тепловой нестабильности, когда температура изоляции достигает значений, при которых возникает электропроводящий канал.
В [33; 248; 317; 345] выделяется еще один вид пробоя - ионизационный или пробой, связанный с развитием частичных разрядов (ЧР). Этот пробой возникает, как правило, в условиях эксплуатации при наличии в диэлектрике начальных ЧР малой интенсивности, сопровождающихся разложением масла и выделением газа. Образование газовых пузырьков возможно и в процессе производства кабелей, например, в кабелях с вязкой пропиткой маслоканифольным компаундом с присадками из синтетических материалов. Даже при тщательном проведении процессов сушки, пропитки и охлаждения, объем газовых включений составляет 0,1-0,3 % [188].
Если выход пузырьков газа затруднен, то возможно образование пузырьков таких размеров, что в них возникнут ЧР большой интенсивности. Высокая интенсивность ЧР способствует дальнейшему газовыделению и может привести к разрушению изоляции кабеля.
Напряженность начальной ионизации при переменном напряжении можно определить из выражения [284] где UeMp - пробивное напряжение воздуха (газа); єв - диэлектрическая проницаемость воздуха (газа); de - толщина воздушного (газового) включения; d - толщина изоляции; є - диэлектрическая проницаемость изоляции.
Из выражения (2.6) следует, что напряженность начальной ионизации уменьшается с ростом толщины изоляции, а наличие включений вызывает резкое снижение Ен.
Ионизационные процессы имеют место при работе изоляции, как на постоянном, так и на переменном токе, а также при его импульсных воздействиях. Интенсивность ионизации на постоянном токе примерно в два-три порядка ниже, чем на переменном токе с частотой 50 Гц. В [72; 188; 259; 298; 317; 318] подробно изложена природа возникновения и развития ЧР.
Для бумажной изоляции кабелей характерен электрохимический пробой [54; 345], связанный с протеканием химических процессов при длительном воздействии приложенного напряжения и при повышенной температуре. Внешним его проявлением является увеличение со временем тока утечки. Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле [54], поскольку оно приводит к постепенному снижению его электрической прочности. Интенсивное развитие электрохимического пробоя происходит в бумажной изоляции, пропитанной хлорированными массами, а также вследствие электролиза остаточной воды. В [227] отмечается, что возникновение электрохимического пробоя можно рассматривать как два последовательных процесса: процесс физико-химического изменения диэлектрика (старения), снижающий его электрическую прочность, и собственно пробой, который может быть тепловым (чаще всего) или чисто электрическим.
Метод высокочастотной рефлектометрии
Для линии, имеющей дефект реактивного характера, отношение UompIUnad имеет такую же величину, как и в выражении (3.20), так как реактивный дефект не поглощает энергии. Однако реактивный дефект даст дополнительный набег фазы cpD. Величина этого дефекта зависит от того, накроет ли его узел напряжения или нет, т.е. зависимость q D от/должна иметь волновой характер, достигая максимума при выполнении условия (3.14).
Если дефект будет иметь диссипативную составляющую, т.е. будет поглощать часть энергии волны, то сомножитель в (3.17) будет удовлетворять условию Гв \ (3.22) в противном случае Гп = 1, т.е. когда координаты узла напряжения совпадают с координатой дефекта. Таким образом, следует, что Гп имеет волновой характер, достигая экстремального значения на частотах, определяемых условием (3.11). С целью проверки теоретических положений, на компьютере, была смоделирована длинная линия с одним локальным дефектом диссипативного характера. При определении локального дефекта в кабельной изоляции была поставлена максимальная задача, состоящая из трех пунктов: 1) местонахождение дефекта в кабеле; 2) определение вида дефекта; 3) определение величины дефекта.
К входу кабеля, закороченного на конце, был подключен генератор высокочастотных колебаний. Измеряя входной ток 1вх, напряжение Uex и разность фаз между ними д? определялось входное сопротивление кабеля Zex по формуле Z„=- -, (3.23) где гг - внутреннее сопротивление генератора. Коэффициент отражения на входе кабеля (линии) можно определить по выражению (3.16), которое можно представить в виде Га=\Га\е-», (3.24) где ср =2/31. Для регулярной линии без потерь \Гвх\ -1. В регулярной линии с потерями K\ = e 2at. (3.25) Если линия без потерь имеет реактивный дефект, то отраженная волна получит дополнительный набег фазы ро и будет равна р = - 2Щ + pD , (3.26) тогда выражение (3.24) можно записать как rex=e 2m+j(PD. (3.27) Логарифмируя (3.27), получим lnrex=-2jj3l + j pD. (3.28) Если дефект имеет активную составляющую, то 1пі"ед. 0. В этом случае Яе(1пГвх) будет иметь периодический характер, анализируя который можно получить информацию о местоположении дефекта и величине его проводимости Go-При этом (3.28) примет вид \nrex=\nrD-2al + j(pD. (3.29) Мнимая часть (3.29) 1т(1п.Гет) содержит информацию набега фазы, вызванного дефектом. На рис. 3.19, на основе расчетов, построена зависимость набега фазы от частоты генератора/ для кабеля с волновым сопротивлением Ze = 50 Ом. По оси абсцисс отложена относительная частота/ = flfo, где То = v/2/. Из рисунка видно наличие дефекта в изоляции кабеля по изменению кривой полученного графика (в области частот от 6,8 до 10).
Однако определение местонахождения этого дефекта по длине кабеля вызывает затруднения. Из (3.28) найдем =1т(1пГвх) + 2Д (3.30)
На рис. 3.20 (кривая 2) представлена зависимость cpD от частоты. Из графика видно, что pD имеет периодический характер. Функция pD(f) имеет экстремумы на тех частотах, на которых узел напряжения в линии накрывает дефект. В этом случае распределение напряжения в линии с дефектом будет подобно распределению напряжения в линии без дефекта. Первый минимум дефекта cpD определится из условия 2 2Л
Рис. 3.20. Кривые изменения: 1 - входного сопротивления; 2 -набега фазы, вызванного дефектом; 3 - коэффициента затухания от частоты от конца линии до дефекта. Можно заметить также, что частоты/ь соответствуют минимальному значению входного сопротивления Zex , на рис. 3.20, кривая 1.
Действительная часть Ке(\пГвх) = - 2al + \nTD представлена на рис. 3.20, кривая 3. Мы видим, что график имеет волновой характер. Минимумы потерь соответствуют частотам, определяемым условием (3.11).
Величину дефекта (Со - емкость дефекта, Go - проводимость дефекта ) можно определить следующим образом. Проводимость участка кабельной линии от ее конца, включая дефект, можно найти как Yx=GD+Gx+jcoCD, (3.34) где G\ -Gthylx - входная проводимость в сечении АА (рис. 3.21); Go - погонная
проводимость линии; со =2тг[- угловая частота; у- коэффициент распространения. Входное сопротивление линии в сечении ВВ (рис. 3.21) может быть вычислено по формуле =
Тогда величину и характер дефекта можно определить из (3.34) с учетом (3.36) GD + jcoCD = 1;Zgf 2- - G thylv (3.37) Таким образом, анализ зависимости входного сопротивления закороченной линии на различных частотах позволяет выявлять не только местоположение локального дефекта, но и оценить его величину и характер.
Оценка погрешности определения дефекта кабельной изоляции Оценку погрешности математической модели определения дефекта в кабельной изоляции проведем на примере высокочастотного кабеля. Будем считать, что нам известны следующие параметры коаксиального кабеля:
На рис. 3.22 представлена кривая изменения фазы в зависимости от частоты в отсутствии погрешности в измерении Uкз, 1КЗ и фазы р. На рис. 3.23 показано из 152 менение фазы коэффициента отражения при наличии 1 % погрешности в определении Uкз, которая изменяется по случайному закону. При этом погрешность определения местоположения дефекта составила 1 %.
Определение периодичности испытаний по изменению прогнозирующего параметра
Исходя из условия оптимального срока службы кабеля или периодичности профилактических испытаний кабелей и задаваясь значением Ткр, с помощью выражения (4.53) можно установить и сформулировать требование к их сопротивлению изоляции перед включением в работу. Если установить значение RU3.Kp, то можно решить и обратную задачу, т.е. определить периодичность профилактических испытаний кабелей.
Таким образом, учитывая специфику эксплуатации КЛ в увлажненной среде с прерывистым циклом работы, получена модель их профилактики на основе физико-вероятностного подхода.
Основные положения теории и практики расчета и монтажа кабельной арматуры были разработаны проф. Л.Г. Шварцманом, К.П. Кадомской, рассмотрены и дополнены в научных трудах B.C. Дмитриевского, Е.З. Бранзбург, В.В. Бело-церковца, В.И. Бермана, В.М. Юркевича, Е.М. Феськова и многих других учёных.
Опыт эксплуатации показывает, что электрическая прочность кабельных-муфт, как правило, ниже прочности самих кабелей. Это накладывает ограничения на выбор испытательного напряжения. При испытаниях часто выявляются не дефекты кабельной изоляции, а дефекты муфт, что снижает эффективность профилактики по выявлению дефектов кабелей.
В [174] высокую отбраковку концевых муфт (ПУЭ допускают термин - концевая заделка) относят за счет физического недостатка испытаний повышенным напряжением выпрямленного тока по сравнению с испытаниями переменным напряжением. При этом не учитывается, что монтаж кабельных муфт производится не в заводских, а в эксплуатационных условиях, где качественный монтаж в силу ряда причин трудно выполнить, опускаются также конструктивные недостатки концевых муфт, хотя на них указывает много авторов [59; 261; 276; 307 и др.].
В табл. 5.1 приведена статистика отказов концевых муфт по данным исследований в Кемеровском ОАО «Азот», на ММЗ и по данным литературных источников.
Следует заметить, что большая часть пробоев концевых муфт происходит во время профилактических испытаний повышенным напряжением. Согласно [76], число отказов концевых муфт при профилактических испытаниях в 49 раз больше, чем в период эксплуатации. Это приводит к большим трудозатратам и экономическим расходам на запасные материалы, к ограничению по мощности Таблица 5.1
Отказы концевых муфт в эксплуатационных условиях № Статистика повреждений концевых муфт по Дефекты конструкции п/п исследуемым предприятиям и по данным лите- и монтажа концевых ратурных источников муфт в % к общему числу повреждений потребителей и потере электрической энергии на время ремонта КЛ.
Одной из причин такого положения является наличие большого градиента напряжения в изоляции (или большая величина коэффициента неравномерности электрического поля) между жилой и оболочкой на конце кабеля, что может привести к электрическому пробою в этом месте.
В применяемых в настоящее время концевых муфтах для кабелей 6-10 кВ (КВЭн, КВЭд, КВВ, КВР, КВС и др.) не используются в достаточной мере методы выравнивания электрического поля, что ведет к снижению эксплуатационной надежности КЛ.
С возрастанием напряжения кабельных линий значительно усложняются присоединение кабеля к электроустановкам, распределительным устройствам, линиям передачи, а также соединение кабелей между собой. Увеличение напряженности электрического поля в изоляции затрудняет выполнение основного требования к муфтам - обеспечение необходимой электрической прочности при минимальных габаритах. Муфты, удовлетворяющие таким требованиям, могут быть созданы при условии, если их изоляция будет работать в оптимальном электрическом поле, что достигается с помощью регулирования его радиальной и тангенциальной составляющих. Все элементы изоляции муфт должны рассчитываться с учетом действующего электрического поля, поэтому первым условием при конструировании изоляции является четкое представление об его особенностях.
Неравномерность электрического поля (краевой эффект) значительно начинает влиять на конструкцию заделки при 5 кВ [304], поэтому выравнивание поля на конце кабелей 6-10 кВ является необходимой и важной задачей.
При разделке кабеля часть его оболочки (или экрана в случае экранированного кабеля) удаляют, это приводит к искажению силовых линий в осевой геометрии кабеля, которое проявляется в трех измерениях. Поэтому электрическое поле в изоляции муфт существенно отличается от радиального поля в изоляции кабеля. В муфтах радиальное поле существует только на ограниченных участках. В остальной зоне, кроме радиальной, действуют тангенциальные составляющие электрического поля, причины возникновения и характер воздействия которых различны.
Регулирование радиальной составляющей цилиндрического поля в изоляции кабеля и муфт, как правило, не вызывает трудностей. Регулирование тангенциальной составляющей электрического поля является одной из основных трудностей при конструировании муфт высокого и особенно сверхвысокого напряжения, которая усугубляется тем, что сильно неравномерному электрическому полю сопутствует значительное снижение электрической прочности неоднородной слоистой изоляции муфт в направлении между слоями и по поверхности раздела различных изоляционных сред. Это снижение электрической прочности изоляции может достигать 1-1,5 порядков.
