Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Внешнее электромагнитное поле электроэнергетического оборудования как источник диагностической информации 4
1.1. Проблемы контроля и технического диагностирования электроэнергетического оборудования 13
1.2. Экспериментальные способы выделения диагностической информации при электромагнитном контроле 31
1.3. Характер спектрального состава внешнего электромагнитного поля электроэнергетического оборудования 41
1.4. Выделение информативных частотных полос 51
1.5. Выводы 55
Глава 2. Базовая диагностическая информация о дефектах высоковольтного электроэнергетического оборудования 56
2.1. Спектральные характеристики электромагнитного поля короны 56
2.2. Спектральные характеристики электромагнитных возмущений при дефектах термоэлектрического характера 64
2.3. Спектральный состав сигналов от частичных разрядов 89
2.4. Выводы 92
Глава 3. Исследование процессов излучения и распространения электромагнитного поля как носителя диагностической информации 93
3.1. Исследование электромагнитного поля, излучаемого высоковольтным оборудованием, с помощью теории вибраторных антенн 95
3.2. Распределение электромагнитного поля, излучаемого высоковольтным оборудованием 117
3.3. Распространение электромагнитного поля в закрытых распределительных устройствах 134
3.4. Выбор места расположения приемной антенны для регистрации диагностической информации 151
3.5. Выв оды 153
Глава 4. Методики проведения контроля технического состояния оборудования по спектральным характеристикам электромагнитного поля 154
4.1. Методические указания по регистрации спектров электромагнитных полей 154
4.2. Методика контроля электроэнергетического оборудования по спектрам внешнего электромагнитного поля 161
4.3. Информативные частотные полосы в спектрах электромагнитных полей электроэнергетического оборудования 167
4.4. Выводы 185
Глава 5. Критерии контроля электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам электромагнитного поля 186
5.1. Программа контроля электроэнергетического оборудования по спектрам электромагнитного поля 186
5.2. Контроль по изменению уровня излучения 193
5.3. Контроль по величине интегральной мощности излучения в информативных частотных полосах 200
5.4. Контроль по превышению отдельными пиками граничного уровня... 210
5.5. Выводы 223
Глава 6. Контроль действующего электроэнергетического оборудования. Информационно-техническое обеспечение 224
6.1. Контроль электроэнергетического оборудования на действующей подстанции 224
6.2. Рекомендации по формированию информационно-измерительных комплексов и базы данных спектров внешних электромагнитных полей электроэнергетического оборудования 243
6.3. Выводы 253
Заключение 254
Список литературы 258
Приложение
- Экспериментальные способы выделения диагностической информации при электромагнитном контроле
- Спектральные характеристики электромагнитных возмущений при дефектах термоэлектрического характера
- Распределение электромагнитного поля, излучаемого высоковольтным оборудованием
- Методика контроля электроэнергетического оборудования по спектрам внешнего электромагнитного поля
Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсивное использование разнообразных электротехнических устройств, в частности - высоковольтных установок, во многих сферах жизни и деятельности человека характеризуется рядом особенностей, а именно, повышенной ответственностью выполняемых функций и высокой ценой отказа. Эти обстоятельства вынуждают уделять повышенное внимание обеспечению таких качественных показателей функционирования электротехнических устройств, как надежность, безопасность, отказоустойчивость.
Поиск компромисса между желанием снизить ущерб от аварийных ситуаций за счет обеспечения надежности работы электроэнергетического оборудования и потребностью в уменьшении величины среднегодовых затрат на поддержание его в работоспособном состоянии с требуемым уровнем надежности становится особенно актуальным.
Значимость задач обеспечения энергетической безопасности, а также оптимизации и повышения эффективности технологического процесса выработки и распределения электрической энергии, нашло в нашей стране отражение в Федеральном законе «О техническом регулировании», в принятой Правительством РФ «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», в концепции диагностики электротехнического оборудования подстанций и линии передачи электрических сетей ОАО «ФСК ЕЭС » и в некоторых других директивных документах.
Основным принципом новых технологий управления техническим состоянием электроэнергетического оборудования является обеспечение надежности функционирования электроэнергетических объектов, предусматривающее контроль и оценку технического состояния без вмешательства в технологический процесс. Получение информации как о наличии дефекта, так и о динамике его развития на ранних стадиях этих процессов позволяет повысить эффективность процедуры контроля и технического диагностирования электротехнического оборудования. С учетом результатов такого контроля испытания, определенные нормативным документом «Объём и нормы испытаний электрооборудования » РД 34.45-51.300-97, можно проводить по мере необходимости и в том объеме, который позволяет определить ресурс работоспособности оборудования. На практике периодичность межремонтного контроля в основном устанавливается техническим руководителем электроэнергетического предприятия с учётом условий и опыта эксплуатации, технического состояния и срока службы электрооборудования.
С 1993 года началось активное обсуждение проблем непрерывного контроля на сессиях СИГРЭ, где представители крупнейших энергосистем мира представили свои технические предложения по «On-line мониторингу». С 1995 года эти проблемы были в центре внимания ряда международных симпозиумов и конференций, где в результате обмена опытом специалисты разных стран пришли к выводу о необходимости разработки новых систем непрерывного контроля и диагностики.
Разнообразие методов и средств, предназначенных для этих целей, требуют глубоких теоретических и экспериментальных исследований, анализа полученных результатов, сравнения их эффективности, выработки рекомендаций по выбору наиболее целесообразного комплекса контрольно-диагностических мероприятий. Работы в этом направлении интенсивно велись в научной школе академика К.С. Демирчяна и нашли отражение в работах Ю.П. Аксенова, Б.А. Алексеева, М.Е. Алпатова, А.В. Бондаренко, П.А. Бутырина, В.П. Вдовико, Л.В. Данилова, В.Ф. Дмитрикова, Н.В. Киншта, Н.В. Коровкина, Г.С. Кучинского, М.Ю. Львова, А.Е. Монастырского, А.Г. Овсянникова, В.Н. Осотова, Г.В. Попова, Г.Е. Пухова, В.А. Савельева, В.В. Соколова, А.И. Таджибаева, М.А. Шакирова и др. Среди зарубежных ученых, работающих в этом направлении, следует выделить R. Aggarwal, E. Lemke, J. Harley, A. Vilson.
Мероприятия по разработке методов текущего контроля могут быть реализованы только на основе использования богатого материала в области теоретической электротехники. Известно, что в настоящее время в области теоретической электротехники накоплен большой запас знаний об электрофизических процессах, полученных в ходе теоретических и экспериментальных исследований в конкретных электротехнических, электроэнергетических и электрофизических устройствах и системах.
Для высоковольтного электроэнергетического оборудования (ВВЭО) проблема контроля и технического диагностирования стоит особенно остро из-за большой ответственности выполняемых им функций. Успех ее решения во многом зависит от выбора контролируемых параметров, умения предсказать возможный момент отказа на основании анализа числовых критериев. При разработке методов текущего контроля наиболее перспективными считаются методы, основанные на возможности ранней диагностики. Однако их перечень в настоящее время крайне ограничен. Существенное влияние на эффективность методов оказывает наличие возможности их технической реализации, широкого использования стандартных метрических средств, простоты обслуживания.
Таким образом, разработка универсальных и простых методов контроля и технического диагностирования ВВЭО под рабочим напряжением является весьма актуальной.
Диссертационная работа является развитием важных научных направлений теоретической электротехники и посвящена разработке методов контроля и технического диагностирования электротехнических устройств на примере высоковольтного оборудования.
Целью диссертационной работы является разработка метода оценки технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам излучаемого им электромагнитного поля, позволяющего осуществлять текущий контроль и выявлять дефекты на ранней стадии их появления и развития.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач.
-
Разработка основных положений электромагнитного способа оценки технического состояния высоковольтного оборудования на основе регистрации и анализа спектров его собственного электромагнитного излучения (ЭМИ).
-
Разработка методики регистрации спектров ЭМИ и методических указаний по техническому диагностированию высоковольтного оборудования, находящегося под рабочим напряжением.
-
Разработка численных критериев оценки технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования на основе анализа спектров его собственного электромагнитного излучения.
-
Проведение натурных испытаний на электроэнергетических объектах с целью подтверждения правомерности основных положений электромагнитного способа ранней диагностики высоковольтного оборудования.
-
Разработка принципов информационно-технического обеспечения электромагнитного способа ранней диагностики ВВЭО.
-
Разработка принципов формирования архивов и базы данных спектров собственного ЭМИ ВВЭО.
Методы исследования. Основу методологии работы составляют положения теоретической электротехники и радиотехники, теории шумов, техники высоких напряжений, методы математической обработки результатов, методы цифровой обработки сигналов, методы создания архивов и баз данных, а также натурные эксперименты.
Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использованы:
- фундаментальные положения теоретической электротехники, изложенные в трудах Л.Р. Неймана, К.С. Демирчяна, П.А. Бутырина, П.Н. Матханова;
- базовые положения техники высоких напряжений, изложенные в трудах М.В.Костенко, Г.Н. Александрова, Н.Н. Тиходеева;
- принципы диагностики высоковольтного электроэнергетического оборудования, построенные на анализе электромагнитных излучений, развиваемые в трудах Н.В. Киншта, М.А. Каца, Н.В. Коровкина;
- методы расчета электромагнитных полей с помощью теории аналоговых цепных схем, рассмотренные в трудах В.М. Юринова, А.И. Инкина;
- базовые положения теории антенн, изложенные в трудах Г.З. Айзенберга, Д.И. Воскресенского, Г.Н. Кочержевского;
- основы теории электромагнитных шумов, представленные в трудах Ван дер Зила, В.Л. Лосева,
- теория частичных разрядов, изложенная в трудах Г.И. Сканави, П.М. Сви, Г.С. Кучинского, А.Е. Монастырского;
- принципы новой технологии управления техническим состоянием электроэнергетических объектов, рассмотренные в трудах Н.Н. Тиходеева, О.В. Абрамова, Б.В. Ефимова.
- опыт комплексной диагностики высоковольтного оборудования, содержащийся в работах А.Г. Овсянникова, В.В. Соколова, Б.А. Алексеева, М.Е. Алпатова, А.И. Таджибаева.
Объектом исследования является высоковольтное электротехническое оборудование различных классов напряжения как вводимое в работу (с целью паспортизации), так и находящееся в эксплуатации. Первоочередное внимание следует обращать на оборудование, отслужившее гарантийный срок и для которого рекомендуется учащенный контроль под рабочим напряжением. Тщательному контролю подлежат наиболее ответственные единицы электроэнергетического оборудования, такие, как силовые трансформаторы, трансформаторы тока и напряжения, реакторы.
Предметом исследования являются собственные электромагнитные излучения высоковольтного электроэнергетического оборудования, а именно, его спектральные характеристики, в том числе интегральные мощности квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах энергетических спектров излучений.
Научная новизна. К основным научным результатам, которые получены лично автором, включены в диссертацию и представляются к защите, относятся следующие положения:
-
Базовые принципы контроля электротехнического оборудования на основе анализа спектров его собственного электромагнитного излучения.
-
Закономерности спектрального состава собственного электромагнитного излучения высоковольтного оборудования и анализ его излучающих свойств.
-
Методика определения информативных частотных диапазонов, в пределах которых можно эффективно проводить контроль оборудования под рабочим напряжением.
-
Методика регистрации спектров собственного электромагнитного излучения вблизи электротехнического оборудования и рекомендации по формированию мобильных и стационарных информационно-измерительных комплексов.
-
Базовая диагностическая информация о спектрах электромагнитного излучения при наличии в высоковольтном оборудовании дефектов термоэлектрического характера.
-
Методика оценки технического состояния высоковольтного оборудования под рабочим напряжением на основе анализа спектров собственного электромагнитного излучения.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов распространения электромагнитных полей на территориях открытых электроэнергетических объектов, а также рекомендации по выбору частотных диапазонов и размещению измерительных комплексов.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов распространения электромагнитных полей в закрытых распределительных устройствах.
-
Критерии оценки технического состояния, позволяющие осуществлять контроль действующего электротехнического оборудования на основании анализа различных характеристик спектров электромагнитного излучения.
-
Принципы формирования архива и базы данных спектров собственного электромагнитного излучения высоковольтного оборудования.
-
Результаты эффективного многолетнего электромагнитного контроля высоковольтного оборудования на подстанциях Дальнего Востока.
Преимущества и практическая ценность разработанного способа контроля ВВЭО определяются следующими его особенностями:
-
Контроль осуществляется дистанционно, под рабочим напряжением, без вмешательства в технологический процесс.
-
Собственное электромагнитное излучение передает информацию о состоянии оборудования непрерывно, его регистрацию можно осуществлять в любое время года.
-
Не требуется разрабатывать специальные устройства по измерению и анализу спектров.
-
Контроль оборудования осуществляется с обеспечением условий электробезопасности.
-
Незначительные финансовые затраты.
-
Дефект фиксируется на ранней стадии его появления и развития.
-
Чувствительность способа к дефектам значительно превышает чувствительность известных методов контроля.
Таким образом, полученные в диссертационной работе результаты дают основание рекомендовать к практическому применению способ оценки технического состояния электротехнического оборудования, позволяющий:
осуществлять текущий контроль технического состояния высоковольтного оборудования, выявляя факт появления и развития дефектов на ранней стадии;
проводить ранжирование однотипного оборудования под рабочим напряжением;
оценивать степень опасности развития дефектов;
повысить эффективность диагностики ВВЭО под рабочим напряжением, своевременно указывать на необходимость комплексного обследования;
проводить паспортизацию оборудования перед вводом его в эксплуатацию.
Достоверность результатов. Изложенные в диссертационной работе научные положения, полученные результаты и выводы достоверны. Достоверность обеспечивается
применением фундаментальных законов и методов теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории антенн, методов вычислительной математики;
сравнением результатов контроля с данными, полученными с помощью известных методов комплексной диагностики высоковольтного электроэнергетического оборудования;
сравнением результатов расчета распределения электромагнитного поля на электроэнергетическом объекте с экспериментальными данными;
широким обсуждением основных результатов работы на семинарах кафедры ТОЭ Дальневосточного государственного технического университета, лаборатории электрофизики и электроэнергетики института автоматики и процессов управления ДВО РАН, кафедры ТОЭ Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, кафедры ТОЭ Московского энергетического института, на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на шести Международных, а также семи Российских симпозиумах и конференциях. В том числе на IV, V, VI, VII Международных симпозиумах «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург 2001,2003,2005, 2007 гг.), Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Вроцлав, 2000), Международном симпозиуме «Евроэлектромагнетизм» (Магдебург, 2004), Международном симпозиуме «Прогресс в электромагнитных исследованиях» (Пиза, 2004), Международной конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2002), на I, II, III всероссийских научно-технических конференциях с международным участием “Энергетика: управление, качество и эффективность исследование энергоресурсов” (Благовещенск, 2001, 2003, 2005), Международной конференции «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России» (Санкт-Петербург, 2002).
Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 33 печатных работах, в том числе в 19 статьях ( из них 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК), 13 научных докладах, 1 патенте.
Личное участие автора в проведении исследований и полученных результатах
На всех этапах выполнения научно-исследовательской работы и получения результатов, приведенных в диссертации, личное участие соискателя выражалось в разработке базовых излучающих моделей высоковольтного оборудования, постановке и решении задач излучения и распространения электромагнитного поля на реальном электроэнергетическом объекте, создании методики регистрации спектров электромагнитного излучения, разработке методики оценки технического состояния оборудования по спектрам излучаемого им электромагнитного поля, экспериментальном обследовании спектрального состава электромагнитного поля на действующих подстанциях «Дальневосточная», «Чугуевка-2», Порт Восточный, Приморская и других, разработке принципов формирования информационно-измерительных комплексов и баз данных спектров электромагнитного излучения.
Реализация исследований и предложения об использовании. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование на ряде электрических станций и подстанций. Разработанные научные положения, способы, методики, программы могут быть полезны специалистам, занимающихся эксплуатацией и диагностикой ВВЭО.
Кроме того, результаты диссертационной работы могут быть использованы при:
- пересмотре устаревшей и разработке новой нормативно-методической документации по вопросам диагностики;
- модернизации и замене применяемых технических средств и методов, а также расширении перечня параметров, контролируемых под рабочим напряжением;
- разработке типовых проектов автоматизированных систем мониторинга по единым техническим требованиям для всех видов высоковольтного оборудования;
- разработке средств и методик ведения единых баз данных, содержащих результаты диагностики на всех уровнях управления;
- паспортизации вводимого в строй оборудования.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 262 наименования и двух приложений. Основная часть работы изложена на 303 страницах машинописного текста, содержит 119 рисунков и 23 таблицы.
Экспериментальные способы выделения диагностической информации при электромагнитном контроле
Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что электромагнитные поля, создаваемые электроэнергетическими устройствами во внешней области пространства, отражают их внутреннее состояние [6-9,104]. Внешнее электромагнитное поле оборудования, работающего в нормальном режиме, отличается от поля оборудования, в котором появились дефекты или изменились условия эксплуатации. Очевидно, что внешние электромагнитные поля электроэнергетического оборудования можно рассматривать как информационные и использовать их для решения задач контроля и технического диагностирования с помощью внешних информационно-измерительных комплексов. В качестве диагностических параметров можно использовать ряд характеристик электромагнитного поля. Например, это могут быть модуль вектора или составляющие векторов напряженности электрического и магнитного полей, интегральные параметры, связанные с электромагнитным полем [104]. В низкочастотном диапазоне наиболее просто измерять напряженность магнитного поля, однако использование этой характеристики связано с существенным недостатком. Этот недостаток заключается в том, что даже небольшие изменения в позиционировании измерительного устройства могут приводить к значительным изменениям результатов измерения напряженности поля. При этом отсутствует возможность сформировать и использовать обобщенные банки данных о различных устройствах.
В высокочастотной области в качестве носителя информации о работоспособности устройства иногда используются значения касательных составляющих напряженности электрического и магнитного полей к поверхности, максимально приближенной к контролируемому объекту. Этот способ позволяет выявить области утечки энергии устройств СВЧ-нагрева, неработающие или неправильно возбуждаемые элементы антенных решеток и т.д. [103].
С помощью другого носителя информации, а именно, интегральной характеристики в виде потока импульсов внешнего электромагнитного поля, превышающего некоторый граничный уровень, осуществляется контроль частичных разрядов под рабочим напряжением. Как в России, так и за рубежом разработано несколько вариантов информационно-измерительных комплексов (ИИК), осуществляющих регистрацию и обработку потоков импульсов электромагнитного излучения. Примерами могут служить следующие измерительные комплексы.
1. Комплекс ООО «ДИАКС», включающий в себя высокочастотные датчики, полоса пропускания которых занимает диапазон частот от 3 до 20 МГц [6]. На трансформаторах указанные датчики устанавливаются на ПИН-вывод высоковольтного ввода. Ультравысокочастотные датчики, работающие в полосе 15-20 МГц, внедряются в бак трансформатора через имеющиеся люки, фланцы и вентили. Тонкопленочные многослойные датчики, работающие в полосе 1-50 МГц, устанавливаются с наружной стороны на корпус оборудования под рабочим напряжением. Сигналы от вышеперечисленных датчиков поступают на вход анализаторов амплитуд потоков электромагнитного излучения.
2. Индикатор частичных разрядов «ЭЛМИН-1» [50] обеспечивает измерение параметров импульсного электромагнитного излучения. Прибор оптимизирован к приему случайных широкополосных импульсных сигналов. При полосе пропускания 200-1000 МГц осуществляется измерение максимальных значений однократных и редко повторяющихся импульсных сигналов и среднего значения интенсивности потока ЧР.
3. В ООО «НПО Гамма» разработан высокочастотный регистратор сигналов частичных разрядов «РЧР-В1», представляющий собой широкополосный радиоприемник со специализированным блоком обработки сигналов. Специалистами НПО ГАММА, НИИПТа, МЭС Северо-запада (www.mes-sz.spb.ru) проведены также исследования по использованию СВЧ-зонда для дистанционного обнаружения частичных разрядов в высоковольтном обору довании. Сигналы от ЧР отображаются на амплитудно-фазовой диаграмме, подсчитывается их количество за определенный промежуток времени и делаются выводы о возможной степени развития дефекта. В работе были сделаны важные выводы о том, что любые дефекты, связанные с разрядными процессами проявят себя в виде излучений. Основная проблема при использовании этого способа - отстройка сигналов ЧР от сигналов короны и сторонних помех. Кроме того, определение величины кажущегося частичного разряда этим способом не позволяет получить достоверные результаты из-за сложностей в градуировке аппаратуры.
Диагностические комплексы, аналогичные вышеперечисленным системам, разработаны и используются за рубежом. Опыт обследований с помощью некоторых из них показывает, что они позволяют обнаруживать появление и развитие дефектов значительно ранее появления соответствующей информации в составе газов.
Предприятием ДИАКС отрабатывались методы диагностики силовых трансформаторов, автотрансформаторов, а также трансформаторов тока, предусматривающие в первую очередь контроль разрядной активности путем измерения частичных разрядов с помощью измерительного комплекса «ДКРЧ». Рост разрядной активности указывал на необходимость проведения расширенной диагностики под рабочим напряжением, включающей в себя измерение тангенса угла диэлектрических потерь, анализ масла, термографический и вибрационный контроль. Фиксируемые изменения параметров при расширенном обследовании под рабочим напряжением служат основанием для остановки оборудования и проведении диагностики при отключенном напряжении. Опыт эксплуатации [7] говорит о наличии среди оборудования группы риска. Для данной группы (примерно 5% общего числа) на фоне нормальных значений показателей tg8 при определенных неблагоприятных условиях реализуется лавинообразное развитие дефектов в изоляционной конструкции, ведущее к термоионизационному пробою.
Спектральные характеристики электромагнитных возмущений при дефектах термоэлектрического характера
Собственные электромагнитные излучения ВВЭО, спектральные характеристики которых в данной работе используются для контроля технического состояния этого оборудования, тесно связаны с физико-химическими процессами, протекающими в изоляции, узлах и конструктивных элементах. Тепловое и электрическое разрушение изоляции, нарушение взаимосвязей между молекулами за счет химических процессов сопровождается движением и взаимодействием носителей зарядов, возбуждением и излучением электромагнитных колебаний.
При разработке положений о надежности работы ВВЭО в последнее время все чаще привлекают данные о закономерностях физико-химических процессов. Это сравнительно новое научное направление базируется на целом ряде отраслей человеческих знаний, таких как теория вероятностей и математическая статистика, физика диэлектриков, полупроводников и металлов, физика шумов, на научных основах современных технологий.
Учет физических процессов, происходящих в узлах ВВЭО, позволяет специалистам профессионально подойти к разработке математических моделей надежности работы технических систем. Надежность, определяемая как свойство объекта сохранять во времени работоспособное состояние в заданных режимах и условиях эксплуатации, хранения, транспортирования обычно оценивается статистическими показателями, достоверность которых в большой степени зависит от числа наблюдений и объема получаемой при этом информации. В то же время общепринятые показатели надежности могут быть представлены как функции физических характеристик, параметров элементов и скорости их изменения із зависимости от различных факторов. Так, например, полную интенсивность отказов X высоковольтной установки можно определить как сумму интенсивностей отказов под действием механических Xj, электрических Ху, тепловых Х0 и химических Х5 факторов [228]:
В связи с этим одним из основных направлений дальнейшего развития теории и практики вопросов надежности ВВЭО является сочетание статистических, вероятностных методов анализа надежности с проникновением в физическую (или физико-химическую) сущность процессов, протекающих в изделии. Для этого необходимо установление непосредственной зависимости основных показателей надежности от физических свойств и параметров материалов элементов от физико-химических процессов их изменения и от интенсивности эксплуатационных воздействий с учетом случайного характера величин и процессов. Изучение физических закономерностей изменения свойств и параметров элементов, кинетики процессов, вызывающих эти изменения, представляется особенно важным, если иметь в виду, что существо проблемы надежности в конечном счете заключено в изменчивости материалов и элементов во времени при заданных условиях эксплуатации.
В ВВЭО, находящимся под рабочим напряжением, изменения параметров и характеристик элементов во времени, обусловленные происходящими в них электрическими, тепловыми и физико-химическими процессами, являются наиболее общей причиной отказов элементов. Процесс возникновения отказа представляет собой, как правило, некоторый временной процесс, внутренний механизм и скорость которого определяются структурой и свойствами материала, токами, напряжениями, температурой и т.д. Вследствие этого классификация отказов технических устройств по их физической природе представляет прежде всего классификацию физико-химических процессов, непосредственно или косвенно влияющих на работоспособность элементов и возникновение отказов, а также классификацию условий протекания этих процессов. Такая классификация процессов может быть проведена по следующим признакам, изложенным в [135, 228]: по типу (классу) материала элемента; месту протекания процессов, влияющих на работоспособность элемента; виду энергии, определяющей характер процесса; типу эксплуатационного воздействия; характеру (внутреннему механизму) процесса.
С позиций анализа причин отказов и учета взаимного влияния элементов следует различать процессы, происходящие: в объеме материала элементов; на поверхности элементов; в сочленениях деталей (неподвижных и подвижных); в электрических цепях.
Наряду с физико-химическими процессами, происходящими в объеме жидких и твердых диэлектриков ВВЭО, во многих случаях решающее влияние на работоспособность элементов и возникновение отказов оказывают процессы на поверхности изоляции, которая подвергается непосредственному воздействию окружающей или рабочей агрессивной среды, влаги, загрязнений. Изменение фактического состояния, свойств и характеристик материалов, элементов и их связей обычно обусловлено воздействием энергии и сопровождается постепенной деградацией, связанной с превращением одного вида энергии в другой. В общем случае для классификации отказов и процессов их возникновения принимают во внимание следующие виды энергии: механическую, т. е. энергию свободно движущихся отдельных микрочастиц и макросистем и энергию упругой деформации системы (тела); тепловую, т. е. энергию неупорядоченного, хаотического движения большого числа атомов, молекул;
Распределение электромагнитного поля, излучаемого высоковольтным оборудованием
Традиционно электромагнитная обстановка (ЭМО) вблизи высоковольтных установок рассматривалась с точки зрения способности электромагнитных полей, а также наведенных электрических токов и напряжений влиять на работу радиоэлектронных устройств или оказывать нежелательные воздействия на биологические объекты. Подобные задачи относятся к разделам электромагнитной совместимости, в которых электромагнитные поля от высоковольтного электроэнергетического оборудования рассматриваются как непреднамеренные помехи. В этом случае ЭМО разделяют на внешнюю по отношению к системе или отдельному радиоэлектронному устройству и внутреннюю.
В том случае, когда электромагнитная обстановка рассматривается не как помехонесущее поле, а как информационное пространство, анализ которого позволяет оценить техническое состояние объекта, ЭМО целесообразно подразделять на общую и диагностическую.
Под общей ЭМО понимается совокупность наведенных токов и напряжений,-электромагнитных полей любой интенсивности от всех источников электромагнитных возмущений, действующих на территории и за пределами электроэнергетического объекта.
Диагностическая ЭМО имеет ряд особенностей и несет в себе тот объем информации, который необходим для оценки технического состояния конкретной единицы оборудования. Во-первых, диагностическая ЭМО формируется из общей электромагнитной обстановки путем резкого ограничения по частотному диапазону и имеет более жесткую привязку к единице высоковольтного электроэнергетического оборудования. Во-вторых, она несет данные о конкретных источниках электромагнитных излучений. В третьих, информация, заключенная в диагностической ЭМО, должна в максимальной степени отражать динамику процессов, происходящих в высоковольтном электроэнергетическом оборудовании, указывая на изменение интенсивности электромагнитного поля, добавление новых источников и т. д. Кроме того, точки на местности, в которых будет располагаться аппаратура для регистрация диагностической ЭМО, необходимо выбирать таким образом, чтобы обеспечить достоверность и стабильность получаемой информации.
Для расчета распределения электромагнитного поля вблизи ВВЭО составляется излучающая модель, которая строится в предположении, что излучающие элементы оборудования представляются в виде вибраторных антенн. В модели учитываются геометрические размеры излучающих элементов конструкции, их взаимное расположение, соединение с шинами и землей.
В качестве примера, на рис.3.2.1 представлена расчетная излучающая модель силового автотрансформатора 500 кВ в виде набора из пяти вибраторных антенн, роль которых выполняют высоковольтные вводы. В модели учтены геометрические размеры элементов конструкции автотрансформатора, расстояния между ними, наличие земли, высота подставки и т.д. Высоковольтный ввод на напряжение 500 кВ (1) высотой 4,24 м и высоковольтный ввод 220 кВ (2) высотой 2,72 м являются главными излучающими элементами. В модели представлены также два высоковольтных ввода на напряжение 11 кВ (3) и ввод для подсоединения с землей (4) размерами 0,52 м и 0,76 м соответственно, расширительный бак (4) и спуски на напряжение 500 кВ (5), 220 кВ (6), земля (7). Все высоковольтные вводы расположены на заземленном баке (8) и изолированы от него. Бак автотрансформатора представлен в виде железного цилиндра с удельной электропроводностью 107 См/м, высотой 4,1 м и диаметром 6 м. Земля представлена кольцом на нулевой высоте с внутренним радиусом 6 м и неограниченным внешним контуром.
Расчет распределения ЭМП на основе построенной модели в работе проводится с помощью программного продукта "MMANA" [52], используемого для расчета поля антенн, излучающих элементов, их характеристик и работающего в среде "Windows".
Вычислительной основой MMANA является MININEC Ver.3, которая была создана для целей американских ВМС в Washington Research Institute. Программа позволяет: создавать и редактировать описания антенны как заданием координат, так и "мышкой" (CAD-интерфейс); рассматривать множество разных видов антенны; рассчитывать диаграммы направленности (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях (под любыми вертикальными углами); одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн; редактировать описание каждого элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его резонансной частоты; редактировать описание каждого провода антенны. Имеется возможность перекомпоновки антенны без утомительного перебора цифр координат, простым перетаскиванием "мышкой" (реально всю антенну можно нарисовать одной "мышкой"); просчитывать комбинированные (состоящие из нескольких разных диаметров) провода; использовать удобное меню создания многоэтажных антенн — стеков; гибко настраивать процесс оптимизации антенны по велинине входного сопротивления, коэффициента стоячей волны, усилению, минимуму вертикального угла излучения, давая возможность изменения при оптимизации более чем 90 параметров; сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы; строить множество разнообразных графиков, включая показ зависимости диаграммы направленности от частоты; автоматически рассчитывать несколько типов согласующих устройств с возможностью включать и выключать их при построении графиков; создавать файлы-таблицы (формата .csv, просматриваемого в Excel) для всех переменных расчетных данных: таблицы токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от вертикальных и горизонтальных углов, таблицы основных параметров антенны как функций частоты и, наконец, весьма полезную таблицу напряженности электрического и магнитного полей антенны в заданном пространстве.
В программе применяется метод многомерных матриц (моментов), суть которого сводится к разбиению каждого проводника конструкции на точки (сегменты) и вычислению в каждой точке тока, как собственного, так и наведенного от всех остальных сегментов. Ограничений по взаимному расположению и количеству проводников нет.
Методика контроля электроэнергетического оборудования по спектрам внешнего электромагнитного поля
В данном разделе представлены методические указания по контролю развивающихся дефектов высоковольтного электроэнергетического оборудования по результатам анализа спектров его собственного электромагнитного излучения. Данные указания могут послужить основой для разработки документации, регламентирующей процедуру контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам излучаемого им электромагнитного поля. Методические указания составлены на основе разработанного способа контроля и технического диагностирования высоковольтного оборудования, а также накопленного опыта по регистрации и обработке спектров электромагнитного излучения на электроэнергетических объектах. Они распространяются на высоковольтное электроэнергетическое оборудование напряжением 35 кВ и выше с любым видом изоляции.
В методические указания включены: 1) перечень дефектов, контролируемых в ВВЭО путем анализа спектров собственного ЭМИ; 2) эксплуатационные факторы, способствующие росту электротермических явлений; 3) процедура контроля технического состояния ВВЭО на основании анализа спектров его собственного электромагнитного излучения; 4) критерии оценки общего состояния ВВЭО по спектрам электромаг нитного излучения. Представленный вариант методических указаний разработан автором в соответствии с основными положениями концепции диагностики ВВЭО ОАО «ФСК ЕЭС» России, предусматривающей разработку новых способов получения и обработки массивов диагностической информации о состоянии ВВЭО, необходимых и достаточных для организации ремонтно эксплуатационного обслуживания оборудования по техническому состоянию и управления ресурсом оборудования. Предполагается, что данные методические указания будут рекомендованы к применению персоналу электрических станций, подстанций, производственных, наладочных и ремонтных организаций. 1. Общие положения. 1.1. Регистрация энергетических спектров излучений от высоковольтного электроэнергетического оборудования проводится в соответствии с методическими указаниями по проведению регистрации спектров собственного электромагнитного излучения ВВЭО, обеспечивающих измерение, запись и представление информации о спектрах в информативных частотных диапазонах (глава 4, п. 4.1.). 1.2. Заключение о степени дефектности оборудования делается на основании сравнения значений интегральных мощностей энергетических спектров в информативных частотных полосах для контролируемого и эталонного оборудования. 1.3. Процедура контроля технического состояния (диагностики) ВВЭО на основании анализа спектров его собственного электромагнитного излучения состоит из следующих этапов. 1.3.1. Определение размеров вертикальных составляющих высоковольтных вводов, выполняющих роль излучающих антенн на ВВЭО (по технической документации). 1.3.2. Расчетное или опытное определение значений частот основных (первых) резонансов излучающих антенн. 1.3.3. Вычисление ширины информативных частотных полос излучения антенн для основной (первой) резонансной частоты. 1.3.4. Вычисление (в случае необходимости) значений частот высших резонансов и ширины соответствующих информативных частотных полос. 1.3.5. Выделение информативных частотных полос, по которым будет проводиться контроль состояния оборудования. 1.3.6. Вычисление интегральной мощности электромагнитных колебаний, излучаемых контролируемым ВВЭО, в каждой из выделенных информативных частотных полос. 1.3.7. Заключение о степени дефектности ВВЭО на основании сравнения расчетных значений интегральных мощностей контролируемого и эталонного оборудования. 2. Дефекты, контролируемые путем анализа спектров собственного ЭМИ. С помощью анализа спектров собственного ЭМИ ВВЭО можно контролировать следующие группы дефектов: 2.1) появление зон изоляции с повышенной разрядной активностью; 2.2) искрения в контактах или пакетах активной стали; 2.3) дуговые процессы при разрушении контактов и активной части; 2.4) перегревы токоведущих соединений или элементов остова. 3. Эксплуатационные факторы, способствующие росту разрядных явлений. Разрядные явления в изоляции высоковольтного оборудования сопровождают его работу во всех режимах после подачи рабочего или испытательного напряжения. При анализе спектров собственного ЭМИ ВВЭО для контроля эксплуатационного состояния оборудования необходимо учитывать условия его эксплуатации за предыдущий промежуток времени и факторы, вызывающие изменения энергетических спектров. Эксплуатационные факторы, вызывающие увеличение разрядной активности: - увеличение нагрузки оборудования; - увеличение концентрации газов в масле; - увеличение интенсивности процесса старения изоляции; - деформация обмоток после протекания токов короткого замыкания; - перегревы. 4.
Процедура вычисления интегральных характеристик спектров собственного электромагнитного излучения состоит из следующих этапов. 4.1. Определение размеров излучающих антенн. Размеры излучающих антенн вычисляются как вертикальные, составляющие h; изолированных от корпуса ВВЭО наружных вертикальных частей проводов вводов, где . і - порядковый номер ввода. 4.2. Расчетное или опытное определение значений частот основных (первых) резонансов излучающих антенн. Расчет частот (fPi )i основных (первых) резонансов излучающих антенн проводят по формуле (fpj)i = c/4hj, о где hj - высота «і»-ой антенны., с = 3 10 м/с - скорость света. Опытное определение частот резонансов проводят с помощью соответствующих методов. 4.3. Вычисление ширины информативных частотных полос излучения антенн для основной (первой) резонансной частоты. Вычисление ширины (Afpi )i информативных частотных полос излучения антенн для основной (первой) резонансной частоты проводят по формуле: (Afpi)i = (fPi)./Qi, где Qj - эквивалентная добротность « і»-ой антенны. Обычно Q 3,5. 4.4. Вычисление значений частот резонансов и ширины информативных час тотных полос для высших гармоник. Значения резонансных частот высших гармоник вычисляют по формуле: (fpi)n = cn/4hi, где п = 2,3,... - числа натурального ряда, определяющие номера рассматриваемых высших резонансов излучений.
