Введение к работе
Актуальность темы. Силовые кабельные линии с бумажно-пропитанной изоляцией являются одним из основных элементов систем электроснабжения городов, промышленных предприятий и во многом определяют их перспективное развитие. В настоящее время техническое состояние силовых кабельных линий контролируется в основном по состоянию изоляции. Раннее обнаружение нарушений в изоляции кабельных линий позволяет принять своевременные меры по их устранению, а значит и избежать аварийных ситуаций.
В настоящее время, по разным оценкам, от 40% до 80% силового электрооборудования выработало свой ресурс. Это значит, что основной задачей оценки технического состояния электрооборудования, кроме предотвращения аварий, является продление срока эксплуатации вплоть до выработки реального, заложенного в конструкцию при проектировании и изготовлении ресурса работы. Соответственно, возрастает роль методов диагностики электрооборудования в процессе эксплуатации (в режиме реального времени).
Одним из таких методов является метод контроля изоляции по характеристикам частичных разрядов (ЧР). Частичные разряды возникают под действием высокой напряжённости электрического поля в изоляции в местах пониженной электрической прочности, которые представляют собой пробой газовых включений, локальные пробои малых объёмов твёрдого или жидкого диэлектрика. Согласно стандарту международной электроэнергетической комиссии (МЭК 60270) частичный разряд - это локализованный электрический разряд, частично шунтирующий изоляцию между проводниками, который может возникать как в прилегающих, так и в не прилегающих к проводнику объемах изоляции. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электрического поля изоляционной конструкции и электрофизическими характеристиками рассматриваемой области изоляции.
Имея информацию, которую несут за собой импульсы ЧР, можно давать долгосрочные прогнозы о ресурсе высоковольтной изоляции, а это в свою очередь является наиболее ценной информацией в вопросах, связанных с поддержанием нормальных режимов работы электрооборудования, а также с обеспечением надёжности этого оборудования в целом.
Особенно остро эта задача стоит применительно к диагностике кабельных линий с напряжениями 6-10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией ввиду их чрезвычайной распространённости. В соответствии с действующими в России правилами (ПУЭ, 7-е издание), изоляция кабелей должна периодически подвергаться испытаниям повышенным постоянным напряжением. В ряде случаев испытания выполняются переменным напряжением промышленной частоты и повышенным напряжением с частотой 0,1 Гц.
Однако из практики эксплуатации высоковольтных кабельных линий (КЛ) известно, что положительные результаты испытаний повышенным напряжением вовсе не гарантируют последующую безаварийную работу электрооборудования. Так, например, после успешных испытаний повышенным напряжением КЛ нередко происходит выход их из строя в ближайшие после этого месяцы. Известно, что причина этого - в интенсивном разрушении изоляции частичными разрядами в проблемных местах, что приводит к сокращению срока службы КЛ.
И, наконец, испытания повышенным постоянным напряжением не позволяют локализовать проблемные места линий. Наиболее опасны испытания повышенным напряжением для КЛ с большим сроком службы, с низким качеством монтажа или с высоким уровнем ЧР в проблемных местах. В этом случае испытания повышенным напряжением приводят к ускорению старения изоляции и, соответственно, к увеличению уровня ЧР.
В России и за рубежом ведутся интенсивные работы по совершенствованию неразрушающих методов диагностики изоляции и выпуску предназначенной для этого аппаратуры. Эти методы ориентированы как на испытания, не разрушающие изоляцию электрооборудования, так и на методы, позволяющие в процессе эксплуатации КЛ получать достоверную информацию о состоянии изоляции и выполнять локализацию проблемных мест на ранней стадии развития дефектов. Принципиально важным вопросом является также оценка результатов диагностики и формулирование заключения. Для этого необходимо иметь достаточно надежные критерии оценки по известным параметрам ЧР - амплитуде, мощности и частоте следования и т.д. Таким образом, тема данного диссертационного исследования является актуальной.
Объект исследования: объектом исследования являются кабельные линии распределительных сетей среднего напряжения 6-10 кВ с бумажно- пропитанной изоляцией.
Предмет исследования: предметом исследования являются частичные разряды в изоляции кабельных линий.
Цель работы - разработка автоматизированного комплекса и методики контроля изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов.
Основные задачи диссертационной работы.
-
Разработать и создать автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий с применением различных схем подключения для регистрации ЧР.
-
Провести экспериментальные исследования характеристик ЧР в кабельных линиях и их зависимости от величины и формы приложенного напряжения.
-
Разработать систему для тестирования и градуировки измерительных цепей и устройств подключения.
-
Провести моделирование электрических полей в возможных дефектах кабельных линий с целью классификации их по степени опасности для изоляции кабельных линий.
-
Разработать методику определения областей с ослабленной бумажно- пропитанной изоляцией в трёхжильных трёхфазных кабельных линиях.
Методы исследования. При теоретических расчётах использовались современные методы теории поля, методы статистической физики, методы техники высоких напряжений, методы теоретических основ электротехники и радиотехники, теория физики диэлектриков, элементы теории микроэлектроники, теория электрофизических процессов в газах, методы информационных технологий и основы программирования. При решении задач визуализации и расчета электрических полей в слоистых диэлектриках использовались методы компьютерного и математического моделирования, в частности, метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программном комплексе Comsol 3.5а.
При получении экспериментальной информации был использован электрический метод контроля изоляции.
Для записи и обработки экспериментальных данных использовался программный пакет LGraf2 фирмы «Л-Кард», а также прикладные программы обработки и визуализации характеристик ЧР, созданные в Delphi 7.
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов определяются использованием современных теоретических и экспериментальных методов исследования и применением новых программных продуктов, совпадением теоретических результатов с полученными экспериментальными данными, сопоставимостью результатов с данными, полученными другими методами. Достоверность полученных результатов обеспечена повторяемостью измерений и их соответствием данным, опубликованным в научной литературе другими исследователями.
Научная новизна работы:
-
-
Проведён расчёт электрических полей в различных типах дефектов бумажно-пропитанной изоляции кабельных линий методом конечных элементов.
-
Разработана методика определения зон с ослабленной изоляцией трёхжильных трёхфазных кабельных линий электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей.
-
Разработана и апробирована методика градуировки и тестирования автоматизированного комплекса для контроля изоляции кабельных линий на основе характеристик импульсов Тричела.
-
В бумажно-пропитанной изоляции для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний установлено два различных типа частичных разрядов.
Практическая значимость работы:
-
-
-
Создан автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий, с повышенной точностью определения напряжения зажигания ЧР (фаза ЧР определяется с погрешностью в один градус).
-
Разработанная методика определения дефектных зон в изоляции трёхжильных трёхфазных кабельных линий электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей позволяет определять тип возможного повреждения, т.е. локализовать область развивающегося дефекта.
3. Показана необходимость учёта обоих типов частичных разрядов для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний при контроле изоляции.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
Автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов, состоящий из аппаратной части высокого и низкого напряжения и программной части, основанной на самописце LGraf2 и блоке программ, созданных на Delphi 7.
-
Результаты расчёта электрических полей моделей дефектов различных размеров и форм в изоляции кабельных линий 6-10 кВ.
-
Методика определения зон с ослабленной изоляцией в трёхжильных трёхфазных кабельных линиях электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей.
-
Способ тестирования и градуировки измерительной системы с применением тестового генератора наносекундных импульсов на основе электродной системы «игла-плоскость» в режиме импульсов Тричела.
-
Обнаружение двух типов частичных разрядов для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний в бумажно- пропитанной изоляции кабелей, характеризующихся импульсами тока и импульсами напряжения.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII, XIII и XV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006, 2007 и 2009); на Международной научно -технической конференции, посвященной 80-летию Ф.З. Тинчурина «Энерго - и ресурсоэффективность в энергобезопасности России» (Казань, 2006); на II, ІІІ, IV и V Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007, 2008, 2009, 2010); на Всероссийской научно -практической конференции по инновационному развитию агропромышленного комплекса (Казань, 2009, 2010); на Восьмом ежегодном семинаре «Методы и средства контроля изоляции высоковольтного электрооборудования» по специальному вопросу семинара: «Локация мест возникновения частичных разрядов в изоляции высоковольтного электрооборудования» (Пермь, 2011); на ХХ Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий (Казань, 2008).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 14 научных публикациях, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах процесса в разработке и создании измерительного комплекса (создание установки высокого напряжения, устройства подключения, изготовление тестового генератора, программного комплекса сбора и анализа данных), в
проведении экспериментальных исследований, в интерпретации и анализе полученных теоретических и экспериментальных результатов, написании научных статей, в подготовке докладов и в выступлениях на научных конференциях.Соответствие диссертации научной специальности.
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и затрагивает следующие области исследования Паспорта специальности:
-
-
-
-
-
построение новых моделей дефектов различных размеров и форм в изоляции кабельных линий 6-10 кВ с целью ранжирования дефектов по степени их опасности при контроле состояния изоляции соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;
-
разработка и создание измерительного комплекса для диагностики изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 86 рисунков, 5 таблиц и 3 приложения; список цитируемой литературы включает 76 наименований.
Похожие диссертации на Метод и автоматизированный комплекс контроля технического состояния бумажно-пропитанной изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
