Метод и средство диагностирования изоляции вл-10 кв в системе электроснабжения агропромышленного комплекса
На правах рукописи
Гарипов Ильсур Халилевич
МЕТОД И СРЕДСТВО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
ВЛ-10 кВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском
хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чебоксары – 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Марийский государственный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рыбаков Леонид Максимович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Воробьев Виктор Андреевич доктор технических наук, профессор Оболенский Николай Васильевич
Ведущая организация: Государственное научное учреждение « Всероссийский научно - исследова тельский институт электрификации сельского хозяйства»
Защита состоится «7» июля 2011 года в 9 часов на заседании диссертацион ного совета Д 220.070.01 в ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяй ственная академия» по адресу: 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29, ауд. 222.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Чуваш ская государственная сельскохозяйственная академия».
Объявление о защите и автореферат размещены на сайте академии по адресу:
www.academy21.ru в разделе «Новости» «»2011г.
Автореферат разослан «_» 2011г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук С.С. Алатырев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Задача обеспечения надежного электроснабжения агро промышленного комплекса и коммунально-бытовых приемников электрической энергией в значительной мере зависит от состояния воздушных линий 10 кВ (ВЛ- кВ), которые составляют большую часть электроэнергетического хозяйства страны.
Протяженность ВЛ-10 кВ в целом по стране составляет более миллиона километров, и значительная часть оборудования проработала более 25 лет.
Изоляционные элементы ВЛ-10 кВ эксплуатируются за пределами установлен ных нормативов, что требует особого внимания к их работоспособности. Отсутствие средств выявления дефектов на ранней стадии их развития и несвоевременное оты скание места их возникновения приводит к непредвиденным отказам и перерыву электроснабжения объектов агропромышленного комплекса (АПК).
Исследованиям по разработке методов и средств технического диагностирования по оценке предаварийного состояния элементов распределительных сетей в настоя щее время уделяется недостаточно внимания. Поэтому важным направлением обес печения работоспособности ВЛ-10 кВ является совершенствование методов оцени вания её состояния на основе использования современных научных знаний о процес сах образования дефектов в элементах линии и применение автоматизированных ин формационно - измерительных комплексов для диагностирования состояния элемен тов ВЛ, позволяющих создать базу для нового направления эксплуатации оборудова ния – эксплуатации по техническому состоянию.
Решение задач по созданию системы технического диагностирования состояния ВЛ-10 кВ, позволяющее повысить надежность электроснабжения объектов АПК и способствующее повышению эффективности их функционирования, является реали зацией Федерального закона от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» и направлено на выполнение про граммы энергосбережения в Российской Федерации. Это обстоятельство определяет актуальность проблемы.
Работа выполнена в соответствии с комплексными научно-техническими плана ми научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «Марийский государственный уни верситет» согласно республиканской целевой программы.
Цель исследования. Целью работы является обеспечение работоспособности ВЛ 10 кВ путём разработки метода и средства диагностирования изоляционных элементов воздушных линии в системе электроснабжения АПК.
В связи с поставленной целью решаются следующие научные задачи исследо вания:
1. Анализ отказов элементов ВЛ-10 кВ по республике Марий-Эл, при их функ ционировании за период наблюдения 10 лет для определения наиболее характерных из них и обзор традиционных методов диагностирования состояния изоляции для выявления их недостатков.
2. Теоретическое обоснование процесса генерации ВЧ-сигналов в дефектных изоляционных элементах воздушных линий.
3. Экспериментальное исследование генерации ВЧ-сигналов в изоляционных элементах воздушных линий и распространения ВЧ-сигналов на реальных линиях антенным и гальваническим методами.
4. Разработка средства отыскания дефектных изоляционных элементов ВЛ- кВ и программного обеспечения для его работы, испытание разработанного метода в производственных условиях.
5. На основе теоретических исследований и экспериментов, проведённых в ре альных условиях, определить признаки ВЧ-сигналов для различных видов дефектов и обосновать возможность определения координат дефекта по величине затухания и искажения ВЧ-сигнала в сетях ВЛ-10 кВ.
Объект исследования. Объектом исследования являются методы оценки техни ческого состояния элементов изоляции ВЛ-10 кВ и процесс диагностирования.
Предмет исследования. Высокочастотные излучения, генерируемые дефектны ми изоляционными элементами ВЛ-10 кВ и возможность использования их парамет ров как диагностических признаков.
Методика исследований. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные методики с применением физического и математического моделирования.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
1. Установлены зависимости характеристик ВЧ-излучения от характера дефектов на элементах изоляции воздушных линий и их расположения.
2. Обоснованы информационные возможности сигналов ВЧ-излучения, генерируемых дефектными элементами изоляции ВЛ-10 кВ.
3. Выявлен диапазон частот от 5 МГц до 60 МГц, генерируемых дефектными элемен тами ВЛ-10 кВ в зависимости от характера дефектов и места их расположения. Обоснова ны и предложены новые методы диагностирования элементов изоляции ВЛ-10 кВ, осно ванные на использовании в качестве диагностического признака энергетических парамет ров ВЧ-сигнала в диапазоне частот 27 - 40 МГц.
4. Определены теоретически и подтверждены экспериментально зависимости коэффи циентов затухания сигналов от диапазона частот и расположения источника сигнала, что даёт возможность определить координату дефектного элемента.
Обоснованность и достоверность положений и выводов настоящей работы подтверждается коррелируемостью экспериментальных и теоретических результатов, полученных с помощью разработанных программных средств и по результатам ди агностирования на действующих электроустановках с использованием аттестованных измерительных приборов, испытательных комплексов МарГУ, разработанных совме стно с фирмой «РадиоТест».
Основные положения, выносимые на защиту:
- экспериментальные данные параметров ВЧ-излучения для диагностирования эле ментов внешней изоляции ВЛ-10 кВ и метод регистрации;
- обоснование возникновения автоколебательного процесса при частичных разрядах в изоляционных материалах;
- предложенные критерии для определения зоны дефекта в сетях ВЛ-10 кВ.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
1. Создана теоретическая база для реализации системы обеспечения работоспо собности ВЛ-10 кВ, позволяющая оперативно прогнозировать и предотвращать отка зы в системе электроснабжения АПК, связанные с изоляционными элементами этих линий.
2. Проанализирован экспериментальный материал параметров ВЧ-сигналов, из лучаемых дефектными изоляционными элементами при моделировании различных видов дефектов. Использование созданного средства диагностирования позволяет выявлять дефект на начальной стадии развития.
3. Разработан метод определения зоны появления возможных дефектов в ВЛ 10 кВ, что сокращает время поиска изоляционных элементов ВЛ, аппаратов и обору дования, находящихся в предпробойном состоянии, и позволяет осуществлять теку щий ремонт в распределительных сетях до возникновения аварийной ситуации по фактическому состоянию изоляции.
4. Разработаны средства диагностирования внешней изоляции ВЛ-10 кВ, методи ческое и программное обеспечение для внедрения результатов исследования в опыт но-промышленную эксплуатацию и учебный процесс по специальности 140211.65– «Электроснабжение» и для подготовки аспирантов по специальности» 05.20.02 – «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве».
5. Внедрена на электросетевых предприятиях Республики Марий Эл информаци онно-измерительная система диагностирования внешней изоляции ВЛ-10 кВ, которая позволяет по результатам оценки параметров ВЧ-излучения производить плановые проверки изоляционных конструкций и определять зону расположения дефектных элементов. При этом обеспечивается работоспособность ВЛ-10 кВ и, следовательно, повышается надежность электроснабжения объектов АПК.
Практическая ценность полученных результатов подтверждается их использова нием при решении ряда задач, выполненных при непосредственном участии автора: ре зультаты хоздоговорной НИР «Методы определения видов дефектов в изоляции высоко го напряжения регистрацией высокочастотного излучения» (рег. № 01.02.0300690 ИК 02.2003200300127) внедрены на электросетевых предприятиях Республики Марий Эл (использование информационно-измерительной системы для диагностирования внешней изоляции ВЛ-10 кВ).
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на итого вых научно – практических конференциях ГОУ ВПО «Марийский государственный университет» (г. Йошкар-Ола в 2000–2010г.);
в Международном межвузовском шко ле-семинаре «Методы и средства технической диагностики» (Ивано-Франковск, Йошкар-Ола, 2000-2009г.);
в Международном симпозиуме по энергетике, окружаю щей среде и экономике (Казань, 2001г.);
в IV и V Московском Международном Са лоне инноваций и инвестиций (Москва, 2004-2005г.);
в IV Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов "Российским инновациям - российский капитал" (Саранск, 2009г.);
в XLIX Международной научно-технической конференции «Достижения науки – агро промышленному комплексу» (Челябинск, 2010г.);
в VI Международной научной конференции “Тинчуринские чтения” (Казань, 2011г.).
Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований от ражены в 10 печатных работах, в том числе 4 из них в ведущих рецензируемых науч ных журналах и изданиях, определенных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и 5 приложений. Изложена на 233 страницах машинописного тек ста, включает 75 рисунков, 21 таблицу и приложения на 50 страницах, список лите ратуры включает 120 наименований, из которых 12 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи ис следований, выделен объект и предмет исследований, раскрыта научная новизна ра боты, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Анализ отказов элементов и аппаратов ВЛ-10 кВ и методов их диагностирования» проведен анализ отказов элементов и аппаратов распределитель ных сетей сельскохозяйственного назначения 10 кВ, сформулированы цели и задачи исследования.
Вопросам безотказности электрических сетей специалисты-энергетики всегда уде ляли и уделяют большое внимание. Важным направлением ее решения является разра ботка способов и средств поддержания работоспособности элементов, аппаратов и оборудования в сетях ВЛ -10 кВ. Разработаны и внедрены в эксплуатацию различные виды технических устройств (АПВ, АВР), секционирование сетей, совершенствование релейной защиты, повышена работоспособность отдельных элементов сетей путем применения изолированных проводов, линейных изоляторов с повышенными электри ческими характеристиками, опор из долговечных материалов. Указанные мероприятия требуют значительных материальных затрат.
В последнее время надежность работы распределительных сетей в АПК резко снизилась. Это можно объяснить эксплуатацией большого количества электрообору дования в распределительных сетях, отработавших более 25 лет, имеющих износ бо лее 50%, недостаточным учетом влияния повторяющихся атмосферных воздействий в условиях каждого региона.
Значительный вклад в исследование и решение проблемы безотказности обору дования и элементов энергетических систем и электрических сетей внесли такие уче ные и специалисты в области электроэнергетики, как И.А. Будзко, В.А. Веников, В.Ю. Гессен, В.А. Воробьев, С.И. Гамазин, Н.В. Оболенский, А.А. Глазунов, Ю.Б.
Гук, И.М. Зуль, В.Г. Китушин, Т.Б. Лещинская, В.З. Манусов, Л.А. Мелентьев, В.А.
Мурадян, А.Е. Непомнящий, Г.И. Разгильдеев, М.Н. Розанов, Ю.Н. Руденко, Ф.И.
Синьчугов, А.А. Пястолов, Г.Л. Эбина, А.А. Федоров, Р.Я. Федосенко, Ю.А. Фокин, а также зарубежные исследователи Д. Эндрени, Р. Барлоу, Ф. Прошан и др.
В решение задач технической диагностики в области электроэнергетики большой вклад внесли коллективы ОРГРЭС, НИИПТ, ВНИИЭ, СибНИИЭ, ВИЭСХ, а также ведущие специалисты: Р.С. Ахметшин, С.А. Бажанов, И.Г. Беляков, В.П. Вдовико, Ч.А. Джуварлы, А.С. Кудратилаев, А.Е. Монастырский, Е.Г. Мякинин, Л.А. Саплин, А.И. Немировский, А.Г. Овсянников, В.Н. Осотов, В.С. Поляков, П.М. Сви, В.В. Смекалов, В.В. Соколов, О.И. Хомутов и др..
Сети 10 кВ в АПК республики Марий Эл в конструктивном исполнении воздуш ные. Кабельные линии используются в распределительных сетях городов и промыш ленных предприятий и составляют около 4% от общей длины сетей, поэтому в настоя щей работе не рассматриваются. Опоры линий 10 кВ деревянные (8%), деревянные с железобетонными приставками (27%), железобетонные (65%). Изоляторы воздушных линий фарфоровые (45%) и стеклянные (55%) типа ШС-10, ШФ-10Г, ШФ-20Г. При меняются сталеалюминевые провода марки АС-25, АС-35, АС-50, АС-70. Расположе ние проводов на опорах воздушных линий горизонтальное – 25% и в треугольник – 75%. Режим работы нейтрали изолированные и резонансно-заземленные. Электриче ская схема сетей 10 кВ радиальная, более 85% закольцованная. Среднее число ли ний, отходящих от питающих подстанций 110/35/10 16 линий. Средняя длина одной линии с учетом ответвлений 30 км, средняя длина ее магистральной части 15 км.
Коммутационная аппаратура линий 10 кВ: разъединители наружной установки РН-200, РН-400, выключатели масляные типа ВМП-10, выключатели нагрузки ВН-16. Аппара тура грозозащиты разрядники вентильные РВО, РС-10, РВП-10. Большинство потре бителей, питающихся от ВЛ-10 кВ, относятся ко II-й категории по надежности, длитель ность перерывов в электроснабжении которых не должна превышать 3,5 часа. Обеспече ние безотказности работы ВЛ-10 кВ связано с определенными капитальными затратами, поэтому важно найти такое оптимальное решение, когда капитальные вложения в меро приятия по поддержанию безотказности элементов и аппаратов ВЛ-10 кВ дадут макси мальный экономический эффект.
В результате проведенного анализа установлено, что наибольшее число отклю чений ВЛ-10 кВ происходит по причине повреждений изоляции (31%), проводов (35,6%) и опор (21,6%). Основная часть отключений ВЛ-10 кВ (54,4%) приходится на период времени с апреля по сентябрь, что объясняется интенсивной грозовой дея тельностью.
Определены показатели безотказности ВЛ-10 кВ, аппаратов и элементов, кото рые имеют практическое значение при разработке и обосновании мероприятий по обеспечению безотказности существующих ВЛ-10 кВ. Выполнен структурный ана лиз отключений и получены параметры и функции плотности вероятности теорети ческих распределений аварийных отключений распределительных сетей, которые хорошо описываются экспоненциальной функцией. Установлено, что наибольшее число отказов изоляции ВЛ-10 кВ вызвано грозовыми (37,7%) и внутренними пере напряжениями (33,2%).
Также рассмотрены существующие методы и средства диагностирования внеш ней изоляции распределительных сетей 10 кВ и выявлена их низкая эффективность.
Применение многообразия методов диагностирования вызывает противоречивые сужде ния о состоянии изоляции.
Показана необходимость в дополнительных диагностических признаках для оце нивания состояния изоляции на ранней стадии появления дефектов во внешней изо ляции ВЛ-10 кВ, т.е. выявление признаков ухудшения технического состояния, вы зывающих изменение значений диагностируемых признаков и определение мест рас положения дефектного элемента.
Во второй главе «Теоретические исследования высокочастотных сигналов, генери руемых дефектными элементами как диагностического признака состояния изоляции ВЛ-10 кВ» рассмотрены электромагнитные процессы при разрядах, механизм обра зования высокочастотных сигналов от дефектных штыревых линейных изоляторов и математическое описание автогенерации частичных разрядов, порождаемых наличи ем дефекта в изоляционном материале.
При исследовании процесса возникновения частичных разрядов, изоляцию мож но представить схемой замещения, содержащей активное сопротивление и емкость, соединенные параллельно. Наличие дефекта в изоляции представим параллельным соединением емкости и активного нелинейного сопротивления. Изоляции с дефект ным участком, способным порождать частичные разряды, будет соответствовать по следовательное соединение схем замещения дефектного и работоспособного участков изоляции, приведенной на рис. 1.
Величина нелинейного сопротивления R1, характеризующего дефектный участок изоля ции, существенно зависит от приложенного к нему напряжения U. Если напряжение на дан ном сопротивлении превосходит значение Ud (рис.2), то нелинейное сопротивление имеет малое значение Rr, соответствующее состоя нию, называемому в дальнейшем пробоем изоляции. При значении напряжения на нели нейном сопротивлении, равном или меньшем Ur, его величина скачкообразно увеличивается до значения Rd, соответствующего состоя нию восстановления изоляции.
Вольтамперная характеристика нели нейного сопротивления приведена на рис.2.
Рисунок 1 - Схема замещения дефект Характеристика имеет два линейных отрезка:
ного и работоспособного r - с малым сопротивлением Rr, соответствую участков изоляции щим состоянию пробоя, и d - с большим со противлением Rd, соответствующим состоянию восстановления.
При напряжении, приложенном к нелинейному резистору R1 и емкости С1, боль шем Ud происходит переход с ветви восстановления на ветвь пробоя нелинейного ре зистора. После перехода нелинейного сопротивления на ветвь пробоя с малым значе нием сопротивления Rr начнется разряд емкости С1, на сопротивление Rr. Напряжение на емкости С1 в состоянии пробоя будет падать, а на емкости С2 - возрастать. При уменьшении напряжения на емкости С1 до значения Ur происходит переход нелиней ного резистора из состояния пробоя в состояние восстановления.
В данном состоянии напряжение на I емкости С2 начнет уменьшаться, а на ем пробой (Rr) кости С1, - увеличиваться до значения Ud. Затем вновь произойдет переход не линейного резистора с ветви восстанов ления на ветвь пробоя. Процессы пере хода из состояния пробой в состояние Ur Ud U восстановление (Rd) восстановления и обратно начнут цикли чески повторяться, образуя автоколеба тельный процесс.
Математическое описание электро магнитных процессов в схеме, изобра женной на рис.1, может быть получено с Рисунок 2 - Вольтамперная характеристика использованием метода отображений изоляции с дефектным участком Пуанкаре, называемого также методом сопротивления Rr последования или припасовывания начальных значений.
Пусть к выводам a и b приложено сетевое напряжение u(t) = Um sin(wt). Будем полагать, что период сетевого напряжения Ts =2/w во много раз превосходит период автоколебательного процесса, порождаемого частичными разрядами.
Изменение напряжения u1 при пробое изоляции будет описываться дифферен циальным уравнением:
u1 g rTp (u1 ) g r U, (1) где g r =Rr /(Rr + R2);
T = gc R2 C2;
g с = (C1 + C2)/ C2 ;
p- оператор дифференциро вания по времени t.
При возникновении пробоя при напряжении Ud получим решение данного урав нения следующего вида:
t ). (2) u (t, r ) U g (U / U g ) exp( r d r g T r Ток, протекающий по изоляции в состоянии пробоя, определяется выра жением:
t, u(t, r) U 1 (3) C p(u(t, r)) I 1 g ( g d ) (1 ) i(t, r) ) exp( gr T 1 0 r r Rr U gc gr где I 0 U / R2.
Длительность Tr пребывания в состоянии пробоя:
U /U gr. (4) Tr g r T ln d U /U g r r При напряжении u 1 (Tr,r)= Ur произойдет восстановление сопротивления изоля ции до значения Rd. При этом дифференциальное уравнение, описывающее измене ние напряжения на емкости C1, примет следующий вид:
u1 g d T p (u1 ) g d U, (5) где g d =Rd /(Rd + R2);
T = gc R2 C2;
g с = (C1 + C2)/ C2 ;
p- оператор дифференциро вания по времени t.
Решение данного уравнения позволяет найти закономерность нарастания напря жения на емкости C1:
t u1 (t, d ) U g (U / U g ) exp( ). (6) r r r g T d Ток, протекающий по изоляции в состоянии восстановления, определяется вы ражением:
t. (7) U u(t, d ) C p(u(t, d )) I 1 g (g d ) (1 ) i(t, d ) ) exp( gd T 1 0 d d Rr U gc g d Время Td пребывания цепи в состоянии восстановления изоляции определяется из уравнения (4):
U /U gd. (8) Td g d T ln r U /U g d d Периоду автоколебательного процесса Т0 = Tr+Td соответствует частота f1 = 1/T0.
Выражение для импульсов напряжения и тока, протекающих по изоляции при частичных разрядах, примет следующий вид:
u 1 (t) = q(t)u1 (h(t),r)+(1-q(t))u1 (h(t)-Tr,d), (9) i (t) = q(t)i(h(t),r)+(1-q(t)) i(h(t)-Tr,d). (10) Виды функций (9) и (10) приведены на рис. 3 и 4 соответственно.
Условие возникновения со u1(t) стояния пробоя выражается оче U видным неравенством Ud gd -U.
0. Условие выхода из состояния пробоя выражается неравенством 0, Urgr -U. Выполнение обоих условий приводит к устойчивой генерации 0, частичных разрядов.
Объект диагностирования фор 0, мирует последовательности коротких импульсов тока длительностью 0, = 30 - 40 нс, период повторения по t, с 0 0,2 0,4 0,6 0,8 следовательности Т является случай Рисунок 3 - Процесс изменения напряжения ной величиной. Период следования t на емкости С1 при gr = 0,1;
gd = импульсов в последовательности со i(t) 0,7;
gс = 1, ставляет примерно 2-3, число им I пульсов в последовательности слу 2, чайно и изменяется в широких преде 2 лах.
ВЧ излучение возникает в резуль t 1, тате протекания вышеописанных им пульсов тока по проводам ВЛ.
Третья глава «Эксперимен тальные исследования по обоснова 0, нию диагностических признаков со стояния внешней изоляции ВЛ- 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 t, с кВ» посвящена экспериментальному Рисунок 4 - Импульсы тока ЧР, протекающие исследованию диагностических при по изоляции при при gr = 0,1;
знаков внешней изоляции ВЛ 10 кВ.
gd = 0,7, gс = 1, Исследовались модели изоляции с различными видами дефектов в условиях лаборатории и на реальных линиях 10 кВ.
В ходе исследования измерялись характеристики ЧР гальваническим и антенным методами с использованием имитаторов ЧР. На рис. 5 приведена диаграмма зависи мости числа импульсов ВЧ-сигнала от частоты и приложенного напряжения, полу ченная гальваническим и антенным методами измерения.
С помощью программы Orcad исследовалась модель трехпроводной линии 10 кВ длиной 15 км, характерной для реальных ВЛ-10кВ. Линия была разбита на участки дли ной по 1 км. На рис 6. приведена эквивалентная схема участка длиной в 1 км.
На линию (на разные фазы и в разных участках линии) подавался одиночный экс поненциальный импульс единичной амплитуды. Длительность фронта импульса – нс, длительность спада – 25 нс. Параметры импульса были определены в результате экспериментальных лабораторных исследований образцов изоляционных элементов, имеющих воздушные включения.
Сигнал снимался с трех фаз линии для каждого километрового участка. В резуль тате получены графики, отражающие амплитудно-частотные характеристики линии на различном расстоянии от источника.
Nимп,шт U, кВ Гальв. 1000 f, МГц 885,6 605, метод 57 МГц МГц 40 МГц МГц МГц 10 МГц Рисунок 5 - Число импульсов ВЧ-сигнала в зависимости от частоты и приложенного напряжения Рисунок 6 - Эквивалентная схема участка ВЛ длиной в 1 км Далее были проведены исследования на реальной воздушной линии 10 кВ, для определения затухания вдоль линии. Исследовались три варианта:
1) генератор включен в начале неразветвленной линии длиной 15 км;
2) генератор включен в середине неразветвленной линии длиной 15 км;
3) генератор включен в начале линии, имеющей ответвление на 7-м километре, равное остаточной длине линии.
Анализируя графики на рис. 7 (вариант 1), представленной для частоты 9 МГц, можно отметить, что уровень сигнала, несмотря на периодические колебания, остает ся достаточно стабильным и затухание на этой частоте незначительно и распростра няется по длине всей исследуемой линии протяженностью 15 км.
На частоте 27 МГц уже начинает просматриваться устойчивая зависимость уров ня сигнала от расстояния до генератора. Так, на фазе, к которой подключен генера тор, сигнал монотонно уменьшается, что объясняется хорошим прохождением сигна ла непосредственно по проводу кондуктивным путем. При этом на затухание боль шее влияние будут оказывать емкости фаз, чем переизлучение с соседних фаз. Из этого следует, что уровень сигнала на средней фазе будет несколько выше, чем на крайних фазах. Общий уровень остается достаточно высоким, что позволяет исполь зовать эту частоту для диагностирования при определении расстояния до дефекта.
Проанализировав затухание сигнала на линии для частоты 40 МГц (рис.7), можно сделать вывод, что сигнал на верхнем проводе (фаза B), если к нему подключен генера тор, монотонно уменьшается, следовательно, можно сделать предположение о воз можности определения фазы, на которой расположен генератор сигналов, по соот ношению между уровнями сигнала на различных фазах. При этом дальность обнару жения дефекта на частоте 40 МГц составляет 7-9 км.
Наличие отпайки (рис. 9.) на расстоянии 7-8 км приводит к значительному уменьшению уровня сигнала практически на всех фазах. Скорее всего, это происхо дит из-за локального увеличения емкости линий в месте отпайки. После отпайки уровень сигнала увеличивается и сохраняется достаточно высоким.
Анализ приведенных выше графиков позволяет сделать вывод о возможности применения разных частот на разных стадиях обнаружения дефекта и при определе нии зоны расположения дефекта. Малое затухание сигнала на частотах вблизи 9 МГц и слабое влияние отпаек и разветвлений на уровень сигнала на этой частоте позволя ют использовать ее для обнаружения наличия дефекта на линии и предварительной оценки расстояния до него. Далее производится измерение на более высоких часто тах, на которых имеется возможность определить более точно место расположения дефектного элемента по особенностям распространения. При наличии разветвлений и отпаек измерение сигнала на частоте 40 МГц позволяет исключить влияние соседних присоединений, сигнал с которых претерпевает значительное затухание. На этой час тоте также возможно определение дефектной фазы, генерирующей сигнал, по соот ношению между уровнями сигнала на различных проводах линии - также зону рас положения дефектного элемента.
После получения результатов по моделированию трехпроводной линии, были проведены экспериментальные исследования в полевых условиях, которые подтвер дили данные результатов моделирования.
Четвертая глава «Разработка средства и метода диагностирования внешней изо ляции ВЛ-10 кВ» посвящена разработке метода и средства диагностирования. Для реализации поставленной задачи была создана информационно-измерительная сис тема, которая позволяет автоматизировать процесс диагностирования состояния изо ляции. Измерительная система (рис.10) построена на базе векторного анализатора радиосигналов RS2000 (фирмы РадиоТест), радиоприёмника AR5000 (в портативном исполнении AR2700) с использованием измерительной антенны АИ4-2 и персональ ного компьютера. Внешний вид информационно-измерительной системы в стацио нарном и переносном исполнении приведен на рис.11.
Комплекс производит измерения параметров высокочастотного излучения гене рируемого дефектным элементом и отображения (сохранения) результатов в удоб ной для оператора форме. Отображение состояния контролируемого элемента, пара метры ВЧ сигнала и доступ к органам управления приборами обеспечивается графи ческим интерфейсом пользователя управляющей программы.
Измерения выполняются во временной и частотной области, причем векторная обработка позволяет выделить всю полезную информацию из ВЧ сигнала. Во вре менной области комплекс оценивает среднюю на определенном интервале времени мощность сигнала в заданной полосе частот и мгновенные значения амплитуды. В частотной области выполняется оценка частоты сигнала, вычисляется дискретный спектр мощности в заданном диапазоне частот, а также комплексный спектр сигнала.
Момент начала регистрации сигнала определяется синусоидой напряжения на испытуемом образце. Это позволило уменьшить влияние помех на точность поста новки диагноза. Также для отстройки от мешающего влияния помех и повышения эффективности, диагностических свойств характеристик ЧР применён комплекс ме тодов, к которым относятся: частотная селекция, амплитудная селекция, временная селекция, фазовая селекция и селекция повторяющихся сигналов ЧР.
Вышеуказанные методы реализованы в измерительном комплексе аппаратным и программным путём.
Применённая частотная селекция позволяет устранить влияние большой группы сигналов промышленных помех, таких, как помехи от ВЧ связи, тиристорных преоб разователей, релейной защиты и осуществляется подбором сигнала определённой частоты и полосы пропускания приёмника AR5000 (AR2700).
Использование методов фазовой и временной селекции при измерениях частично устраняет из общей картины измеренного сигнала помехи, связанные с местной ко ронной на проводах.
Применение метода повторяющихся сигналов ЧР, который требует измерения не единичных сигналов в одном периоде воздействующего напряжения, а группы близ ких по значению сигналов в разных периодах. По результатам этих измерений стро ятся амплитудно-фазовые диаграммы, вычисляются параметры ЧР (кажущийся за ряд, число импульсов, средняя мощность) и ставится диагноз о зоне расположения дефекта.
По полученным данным можно выявить следующие параметры ВЧ-излучений, дающие наиболее полное представление о состоянии образцов изоляции: количество импульсов;
средний ток;
среднюю мощность. Используя эти характеристики можно судить о наличии дефекта в изоляционных элементах линии. Для определения зоны расположения дефектного элемента необходимо использовать две взаимосвязанные информационно - измерительные системы, которые располагаются по концам линии и имеют связь по цифровому каналу, например GPRS (рис. 11). Информационно измерительные системы, одновременно регистрируют данные ВЧ-излучений по концам линии и специальная программа, обрабатывая данные с обоих регистрато ров, позволяет с большой точностью определить зону расположения дефекта.
генератор подключен к фазе A генератор подключен к фазе B генератор подключен к фазе C U, мкВ U, мкВ U, м кВ 80 60 A C C 60 40 C 40 B A B A B l, км l, км 1 3 5 7 9 11 13 1 3 5 7 9 11 13 15 l, км 1 3 5 7 9 11 13 тестовая частота 9 МГц тестовая частота 9 МГц тестовая частота 9 МГц U, мкВ U, мкВ 80 U, мкВ A A C 40 C 40 C B A B 0 B 0 l, км l, км 1 3 5 7 9 11 13 15 l, км 1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 тестовая частота 27 МГц тестовая частота 27 МГц тестовая частота 27 МГц U, мкВ U, мкВ 30 U, мкВ 20 30 B B B l 20 10 C A A C 10 C 10 A l, км 0 0 l, км l, км 1 3 5 7 9 11 13 1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 тестовая частота 40 МГц тестовая частота 40 МГц тестовая частота 40 МГц Рисунок 7 - Результаты экспериментов по варианту генератор подключен к фазе A генератор подключен к фазе B генератор подключен к фазе C U, мкВ U, м кВ U, м кВ 40 B A C 30 B 100 B A 20 C 50 A C 0 l, км l, км 1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 1 3 5 7 9 11 13 15 l, км тестовая частота 9 МГц тестовая частота 9 МГц тестовая частота 9 МГц U, м кВ U, мкВ U, м кВ 60 120 A 50 C A C 40 80 B 30 B к 20 10 B 20 A C 0 l, км 1 3 5 7 9 11 13 15 15 l, км l, км 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 13 тестовая частота 27 МГц тестовая частота 27 МГц тестовая частота 27 МГц U, м кВ 50 U, м кВ U, м кВ 40 C 40 B 30 30 B 20 A B 15 A 10 10 A C C 0 0 15 l, км l, км 1 3 5 7 9 11 13 l, км 1 3 5 7 9 11 13 15 км 1 3 5 7 9 11 13 тестовая частота 40 МГц тестовая частота 40 МГц тестовая частота 40 МГц Рисунок 8 - Результаты экспериментов по варианту генератор подключен к фазе A генератор подключен к фазе C генератор подключен к фазе B U мкВ U, мкВ, U, мкВ 25 B 20 B 15 A C 15 A C 10 B A 5 5 C 0 0 l, км l, км 1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 l, км 1 3 5 7 9 11 13 тестовая частота 9 МГц тестовая частота 9 МГц тестовая частота 9 МГц U, мкВ U, мкВ U, м кВ 6 A A 5 B 8 C 6 4 С 2 C A B B 0 l, км 1 3 5 7 9 11 13 15 15 l, км 1 3 5 7 9 11 13 км 15 l, 1 3 5 7 9 11 тестовая частота 27 МГц тестовая частота 27 МГц тестовая частота 27 МГц км U, мкВ U, мкВ U, мкВ 2, 3, 4 2 B 2, 3 B 1,5 B A 2 1 1, A A 1 0, С 0,5 С С 0 l, км l, км 1 3 5 7 9 11 13 1 3 5 7 9 11 13 15 15 l, км 1 3 5 7 9 11 тестовая частота 40 МГц тестовая частота 40 МГц тестовая частота 40 МГц Рисунок 9 - Результаты экспериментов по варианту А A R 50 0 2 Ц У с тр о й с т во Бло к A R 27 0 0 П 1 Э ВМ о то б р а ж е н и я с о п р я 4 6 инф о р м ации жения А Ц У с и ли те ль, П ф и льтр ы Рисунок 10 - Структурная схема информационно-измерительной системы а) б) Рисунок 11 – Внешний вид информационно-измерительной системы: а) стацио нарное;
б) портативное исполнение ТП ПС ТП 110/10 кВ ТП ТП Обмен данными по ИИС1 ИИС GPRS ТП Рисунок 12 - Определение зоны расположения дефектного элемента ВЛ-10 кВ Анализируя результаты исследований, можно заключить:
1. Выявлены диагностические признаки дефектов штыревой изоляции ВЛ-10 кВ в диапазоне частот 9…40 МГц при полосе пропускания 110 кГц приемника АR (AR2700), а при больших частотах (50-1000 МГц) диагностические признаки выражены слабо.
2. Число импульсов ВЧ-излучений (за период напряжения промышленной часто ты) и их амплитудное значение увеличиваются с величиной приложенного напряже ния;
их диагностическая ценность проявляется уже при приложении напряжения кВ, что характерно для реальных сетей. При частоте 40 МГц полученные результаты антенного и гальванического методов близки, и поэтому этот признак можно реко мендовать как диагностический параметр для оценки состояния изоляционных эле ментов ВЛ-10 кВ и определения его месторасположения.
Следующим этапом были экспериментальные исследования, которые проводи лись на действующих линиях 10 кВ ПО «Йошкар-Олинские электрические сети» и ПО « Сернурские электрические сети» филиала «Марийэнерго» ОАО «МРСК Центра и Приволжья» и на учебном полигоне Марийского государственного университета с использованием имитатора частичных разрядов.
Не зафиксировано существенных изменений интенсивности и частотного рас пределения принимаемых сигналов при изменении нагрузки на линии – числа под ключенных трансформаторов 10/0,4 кВ.
Рассмотренные в главе 3 результаты моделирования распространения сигналов в трёхпроводной линии подтверждены в экспериментальных исследованиях на часто тах 9, 27, 40 МГц.
Полезный результат внедрения периодической и непрерывной проверки состояния изоляции распределительных сетей под напряжением реализуется как в энергоснаб жающем, так и в энергопотребляющем предприятиях. В энергоснабжающих предпри ятиях полезный результат выступает в виде двух составляющих: 1) сокращение затрат и потерь ресурсов, связанных с отключением линии для аварийного ремонта;
2) повыше ние эффективности использования электроустановок, связанное с повышением надеж ности. У потребителей электроэнергии полезный результат реализуется повышением надежности электроснабжения.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в настоящей работе, позволяют сделать следующие основные выводы:
1. Проведённый анализ отказов ВЛ-10 кВ позволил выявить наиболее слабые элементы линии, которыми оказались штыревые изоляторы и провода. Анализ суще ствующих методов диагностирования внешней изоляции ВЛ-10 кВ показала недоста точную информативность существующих систем диагностирования и необходимость поиска дополнительных диагностируемых признаков для оценивания состояния изо ляции на ранней стадии дефектообразования.
2. Теоретически обоснован процесс генерации ВЧ-сигналов в дефектных элемен тах изоляции ВЛ-10 кВ, а также проанализированы возможные пути распространения их токов вдоль линии.
3. Доказано, что ВЧ-излучение, генерируемое частичными разрядами, является ценным диагностическим признаком, а их регистрация и анализ - высокоинформатив ным способом оценки технического состояния дефектных изоляционных элементов ВЛ-10 кВ, обладающим малой трудоёмкостью при отыскании мест расположения де фектного элемента.
4. Предложен метод диагностирования внешней изоляции ВЛ-10 кВ, основанный на регистрации высокочастотных излучений, генерируемых дефектными изоляционными элементами.
5. Разработана и реализована информационно-измерительная система, позво ляющая в режиме реального времени регистрировать высокочастотные сигналы, об рабатывать их и отображать полученные данные.
6. Проведенные экспериментальные исследования в лабораторных условиях и на действующих линиях 10 кВ подтвердили возможность выявления дефектов в началь ной стадии их образования с использованием наиболее информативного диапазона частот 9…40 МГц.
7. Выявлена сильная корреляционная связь (0,96 на частоте 40 МГц) между пара метрами ВЧ-сигналов, регистрируемых антенным и гальваническим методами. Наибо лее достоверными диагностическими признаками приняты число импульсов ВЧ сигнала и их амплитудное значение за период промышленной частоты.
8. Лабораторные и натурные исследования подтвердили достоверность теоретиче ских выводов, позволили определить критерии оценки состояния внешней изоляции ВЛ-10 кВ и зоны расположения дефекта.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
1. Гарипов, И.Х. Влияние интенсивности грозовой деятельности на работоспо собность сельских распределительных сетей / И.Х. Гарипов, Л.М. Рыбаков, С.Ю. Ка занцев // Сб. научных статей международного межвузовского школы -семинара "Ме тоды и средства технической диагностики", Йошкар-Ола: МарГУ, Вып. XIX, 2002. С.141 - 148.
2. Гарипов, И.Х. Экспериментальные исследования распространения электро магнитных волн по трехфазным воздушным линиям 10 кВ / И.Х. Гарипов, Л.М. Ры баков // Вестник ФГОУ ВПО Московского государственного университета им. В.П.
Горячкина.- Москва: МГАУ, Выпуск №1 (40), 2010. – С.59-62.
3. Гарипов И.Х. Анализ методов оценки состояния изоляции воздушных линии 10кВ / И.Х. Гарипов, Л.М. Рыбаков // Электрика. – 2010, № 5. - С.30-34.
4. Гарипов, И.Х. Определение мест повреждения воздушных линий 10 кВ / И.Х.
Гарипов, Л.М. Рыбаков // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2010, №6.- С.15-17.
5. Гарипов, И.Х. Анализ возникновения высокочастотных сигналов в дефектных изоляторах воздушных линий / И.Х. Гарипов // Вестник ГОУ ВПО Марийский госу дарственный университет. - Йошкар-Ола: МарГУ, 2010, №5.- С.56 – 61.
6. Гарипов, И.Х. Разработка средств определения дефектных элементов на осно ве регистрации параметров ВЧ излучений / И.Х. Гарипов, Л.М. Рыбаков // Актуаль ные проблемы энергетики АПК: Материалы междунар. научн.-техн. конф. - Саратов:
КУБиК, 2010. – С.105-108.
7. Гарипов, И.Х. Исследование распространения электромагнитных волн по трех фазным воздушным линиям 10 кВ / И.Х. Гарипов // Материалы XLIX международ ной научно-технической конференции «Достижения науки – агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2010.- C.300-305.
8. Гарипов, И.Х. Электромагнитные волны на линиях электропередач при разря дах в дефектном изоляторе. / И.Х. Гарипов, Л.М. Рыбаков // Электрооборудование:
эксплуатация и ремонт. – 2010, № 10. – С.36-39.
9. Гарипов, И.Х. Анализ возникновения высокочастотных сигналов в дефектных изоляторах воздушных линий / И.Х. Гарипов // Актуальные решения современной науки. - Йошкар-Ола: МарГУ, 2010, Вып.1.- С.131-140.
10. Гарипов, И.Х. Техническое состояние элементов распределительных сетей сельскохозяйственного назначения и разработка средств определения дефектных элементов на основе регистрации параметров высокочастотных излучении. / И.Х.
Гарипов, Л.М. Рыбаков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2011, №3. – С.19-25.
Подписано в печать 02.06.2011 г. Формат 6084/ Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано с оригинал – макета Полиграфический отдел ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА»
428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, Лицензия ПЛД №27-