Разработка элементов системы диагностики высоковольтной изоляции устройств электроснабжения тяговых подстанций
На правах рукописи
БУНЗЯ Александр Андреевич РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Екатеринбург – 2011
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС) Федеральное агентство железнодорожного транспорта Научный руководитель – кандидат технических наук, профессор Сухогузов Александр Петрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Черемисин Василий Титович кандидат технических наук, доцент Осотов Вадим Никифорович Ведущая организация – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»
Защита диссертации состоится «18» февраля 2011 года в 14.00 часов в ауд. на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государствен ном университете путей сообщения (УрГУПС) по адресу: 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, д. 66. Тел./факс: (343) 358-55-10.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета, с авто рефератом – в сети Интернет на сайте www.usurt.ru
Автореферат диссертации разослан «17» января 2011 г.
Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные гербовой печа тью, просим направлять в адрес диссертационного совета по почте и по факсу (343) 245-31-88.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Асадченко В. Р.
ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В настоящее время срок эксплуатации большей час ти силового электрического оборудования тяговых подстанций России составляет не менее 25 лет, то есть больше нормативного срока службы. Замена оборудования связана со значительными финансовыми затратами и происходит крайне медленно.
Длительная эксплуатация электрооборудования приводит к ухудшению диэлек трических свойств высоковольтной изоляции и отказам, которые могут вызвать на рушение графика движения поездов, внеплановые ремонты оборудования и не предвиденные капитальные затраты на его восстановление.
В сложившихся условиях возрастает роль методов профилактического кон троля состояния электрической изоляции. Однако периодичность профилактиче ских испытаний силового электрического оборудования зависит от его типа и мо жет колебаться от одного года до нескольких лет. Становится очевидным, что в промежуточный период между испытаниями электрическая изоляция оборудова ния остается практически бесконтрольной. Более того, применяемые сегодня мето ды профилактических испытаний малоэффективны и технически несовершенны.
Наиболее распространенный метод испытания повышенным напряжением спосо бен выявить только грубые дефекты, проявляющие себя в процессе испытаний в виде сквозного пробоя. Другие дефекты, часто скрытые от наблюдателя и не про явившиеся при профилактических испытаниях, в процессе эксплуатации могут раз виться до опасных и вызвать отказ оборудования. Несмотря на существующую сис тему профилактических испытаний, значительная доля отказов силового электро оборудования тяговых подстанций связана с пробоем электрической изоляции в процессе эксплуатации.
В связи с этим актуальность работы определяется необходимостью разработ ки и внедрения систем непрерывного контроля состояния электрической изоляции, обладающих достаточной технической и экономической эффективностью.
Целью диссертационной работы является повышение надежности электри ческой изоляции силового оборудования тяговых подстанций. Для достижения ука занной цели были поставлены следующие задачи.
1. Исследование характеристик частичных разрядов (ЧР) в электрической изоляции устройств электроснабжения в лабораторных условиях и условиях эксплуатации.
2. Разработка математической модели объемной изоляционной структуры, учи тывающей множественные внутренние и поверхностные дефекты.
3. Исследование характеристик ЧР на модели.
4. Создание и испытание опытного образца устройства контроля состояния электрической изоляции оборудования РУ-10 кВ тяговой подстанции.
5. Разработка технических условий на систему мониторинга технического со стояния оборудования тяговой подстанции.
В качестве объекта исследования в настоящей работе выбраны изоляцион ные конструкции силового электрооборудования тяговых подстанций железных дорог. Предметом исследования является система контроля состояния электриче ской изоляции, работающая в режиме мониторинга.
Методы исследования. В ходе исследования применялись методы матема тического моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных ус ловиях и в условиях эксплуатации.
В своей работе автор опирался на труды ученых: С. В. Ботова, Д. Вайды, В. П. Вдовико, О. В. Голенко, Г. Б. Дурандина, М. Г. Дурандина, С. В. Живодерни кова, Ф. Р. Исмагилова, А. А. Косякова, Г. С. Кучинского, А. Г. Овсянникова, В. Н. Осотова, В. А. Русова, П. М. Сви, А. С. Серебрякова, А. П. Сухогузова, В. Т. Черемисина и др.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработана математическая модель объемной изоляционной структуры с множеством дефектных областей.
2. Разработан алгоритм анализа изоляционной структуры и расчета характери стик ЧР при воздействии переменного напряжения промышленной частоты.
3. Получены зависимости характеристик ЧР от размера и количества дефектных областей.
4. Создана методика комплексной оценки состояния электрической изоляции оборудования тяговой подстанции под рабочим напряжением.
Практическая значимость исследования. Опытный образец устройства контроля состояния электрической изоляции оборудования РУ-10 кВ внедрен на тяговой подстанции Свердловской железной дороги – филиала ОАО «РЖД». Ре зультаты диссертационного исследования использованы при разработке техниче ских условий на систему мониторинга технического состояния оборудования тяго вой подстанции для Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги».
Достоверность исследования. Достоверность разработанной математи ческой модели подтверждается результатами экспериментальных исследований характеристик ЧР в опорных изоляторах в лабораторных условиях. Обоснован ность разработанного устройства непрерывного контроля электрической изоля ции оборудования РУ-10 кВ подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований характеристик ЧР, а также положительным опытом его эксплуатации на тяговой подстанции Свердловской железной доро ги – филиала ОАО «РЖД».
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных исследований характеристик ЧР в электриче ской изоляции устройств электроснабжения 6-10 кВ.
2. Математическая модель объемной структуры изоляции с множеством дефек тов и методика расчета характеристик частичных разрядов.
3. Результаты теоретических исследований характеристик ЧР.
4. Устройство и результаты испытаний опытного образца аппаратуры контроля состояния электрической изоляции оборудования РУ-10 кВ.
5. Методика комплексной оценки состояния электрической изоляции силового оборудования переменного тока тяговой подстанции.
Апробация работы. Основные положения исследования доложены и обсуж дены на IV Международной научной студенческой конференции «Trans-Mech-Art Chem» (Москва, МИИТ, 2006);
Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука – третье тысячелетие» (Красно ярск, КРО НС «Интеграция», 2007);
Всероссийской научной конференции студен тов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука – третье тысячелетие» (Красноярск, КРО НС «Интеграция», 2005);
IV региональной научно-практической студенческой конференции «Электротехника, электромеханика и электротехноло гии» (Томск, ЭЛТИ ТПУ, 2004);
V межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые – транспорту 2004» (Екатеринбург, УрГУПС, 2004);
научно технической конференции, посвященной 125-летию Свердловской железной доро ги «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатерин бург, УрГУПС, 2003).
Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 12 научных статьях и двух свидетельствах о государ ственной регистрации программ для ЭВМ. Общий объем публикаций – 7,18 п.л., из которых автору принадлежит 4,43 п.л. Две статьи опубликованы в журнале, рекомендуемом ВАК для публикации научных результатов диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, за ключения, библиографического списка и семи приложений. Основное содержание изложено на 147 страницах машинописного текста, включает 22 таблицы и 79 рисунков. Библиографический список содержит 130 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности научной проблемы, формули рование цели и задач исследования, показана научная новизна и практическая зна чимость исследования, приведены положения, выносимые на защиту, представле ны сведения об апробации работы, описаны структура и объем работы, кратко рас крыто содержание разделов диссертации.
В первой главе диссертации приведена статистика отказов силового элек трооборудования тяговых подстанций Свердловской железной дороги, подтвер ждающая высокий процент отказов из-за ухудшения диэлектрических свойств вы соковольтной изоляции.
Выполнен анализ основных видов профилактических электрических испыта ний (испытание повышенным напряжением, измерение сопротивления изоляции с определением коэффициента абсорбции, измерение тангенса угла диэлектрических потерь и других), применяемых в настоящее время для оценки состояния электри ческой изоляции устройств электроснабжения железных дорог. Установлено, что существующие методы контроля несовершенны и направлены в основном на опре деление степени увлажненности изоляции или выявление грубых дефектов. В каче стве неэлектрических методов профилактического контроля рассмотрен хромато графический анализ масла. Отмечена высокая эффективность данного метода, од нако область его применения ограничена маслонаполненным оборудованием.
Рассмотрены современные методы диагностики изоляционных конструкций под рабочим напряжением, такие как тепловизионный контроль, виброакустиче ский метод и анализ характеристик ЧР. Среди перечисленных методов наибольшей эффективностью обладает метод, основанный на регистрации ЧР, поэтому данный метод выбран в качестве основного при разработке системы мониторинга электри ческой изоляции.
Исследованию частичных разрядов и метода контроля на основе анализа их характеристик посвящены работы В. П. Вдовико, О. В. Голенко, Г. Б. Дурандина, С. В. Живодерникова, Г. С. Кучинского, А. Г. Овсянникова, В. Н. Осотова, В. А. Русова и других. Труды этих ученых направлены в основном на разработку ап паратуры контроля высоковольтной изоляции электроэнергетических систем. При менение рассматриваемого метода для устройств электроснабжения железных дорог требует дополнительных исследований с учетом особенностей работы оборудования.
Выполнен анализ и определены характеристики ЧР, имеющие наибольшую диагностическую ценность (кажущийся заряд, мощность разрядов). Установлено, что в отдельных случаях качество изоляции может быть выявлено по какой-либо одной наиболее показательной характеристике, например, по максимальному ка жущемуся заряду, однако в большинстве случаев для объективной оценки должна быть исследована совокупность характеристик.
Рассмотрено современное измерительное оборудование, применяемое для регистрации импульсов ЧР (электронные осциллографы с функцией памяти, изме рители на основе пиковых детекторов и высокочастотных компараторов, регистри рующее оборудование на основе высокочастотного АЦП). При создании опытного образца устройства контроля предложено использовать оборудование на основе пиковых детекторов и высокочастотных компараторов.
Во второй главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований характеристик ЧР в электрической изоляции устройств электроснабжения 6-10 кВ.
Основной целью практических исследований стало получение необходимого ин формационного материала и выбор диагностических критериев. В качестве объек тов исследования были выбраны трансформаторы собственных нужд, измеритель ные трансформаторы напряжения и опорные изоляторы. Испытания проводились в ремонтно-ревизионном участке и Дорожной электротехнической лаборатории Свердловской железной дороги, филиале ОАО «РЖД». При измерении параметров ЧР в изоляции объектов исследования была использована типовая схема с включе нием измерительного элемента в ветвь соединительного конденсатора. В процессе эксперимента подаваемое напряжение постепенно увеличивалось от нуля до вели чины, равной испытательному напряжению. Для каждой ступени приложенного напряжения производилось измерение максимального кажущегося заряда.
В общей сложности обследованию подверглось более 20 устройств электро снабжения. Результаты экспериментальных исследований показывают, что с уве личением напряжения испытания уровень ЧР в изоляции оборудования также по вышается. Для поврежденной или неисправной изоляции характерно резкое нарас тание амплитуды разрядов и превышение ей величины 100 нКл. В тоже время ис правная изоляция имеет значение максимального кажущегося заряда намного меньшей величины даже при установленном испытательном напряжении.
В качестве примера на рисунке 1 представлены совмещенные результаты об следования силовых трансформаторов ТМ-180/6 и ТМ-63/10, величины испыта тельных напряжений которых составляют 21,3 и 29,8 кВ соответственно. Из графи ков видно, что с увеличением напряжения уровень ЧР также повышается. Для трансформатора ТМ-63/10 амплитуда импульсов меняется незначительно и не превышает 10 нКл. У трансформа тора ТМ-180/6 наблюдается резкое увеличение амплитуды разрядов. При испытательном напряжении значение максимального кажущегося заряда составляет 159 нКл, наблюдаются бы стро развивающиеся поверхностные разряды и слышен шум. На основа нии этого было сделано предположе ние, что при длительном воздействии такого напряжения произойдет разви тие сквозного пробоя, поэтому испы- Рисунок 1 – Зависимость максимального кажущегося заряда ЧР от напряжения испытания тания трансформатора были прекра щены, а качество его изоляции – признано недостаточным. Последующие испыта ния повышенным напряжением подтвердили это предположение.
Для изучения влияния внешних факторов на параметры ЧР в высоковольтной лаборатории УрГУПС был проведен ряд дополнительных экспериментальных ис следований. Анализ опытных данных показал, что на характеристики ЧР оказывает влияние относительная влажность воздуха. Содержащаяся в воздухе влага заполня ет неоднородности поверхности, тем самым влияет на условия развития поверхно стных дефектов и их проявление. Наименьшая амплитуда импульсов наблюдается при относительной влажности, соответствующей нормальным условиям.
Третья глава посвящена теоретическому обоснованию эффективности оценки состояния электрической изоляции по характеристикам ЧР. Несмотря на известную взаимосвязь частичных разрядов с состоянием электрической изоляции методы контроля, основанные на регистрации ЧР, еще не получили широкого рас пространения. Одной из причин считается слабая теоретическая обоснованность некоторых характеристик ЧР, а также их взаимосвязь с такими параметрами изоля ционной структуры как размер и количество дефектных областей. Эксперимен тальное исследование подобных зависимостей не представляется возможным и предполагает изучение данных явлений только на модели.
Разработанные в настоящее время простейшие плоскостные модели изоляци онной структуры учитывают незначительное количество включений и не позволяют оценить реальную картину развития ионизационных процессов. В диссертации предложены имитационные модели с объемным характером дефектов. При созда нии имитационных моделей изоляционной структуры были приняты допущения:
1) в построении эквивалентной электрической схемы замещения учитываются только емкостные свойства изоляционной области, активная проводимость не учи тывается;
2) электрическое поле внутри однородной изоляционной структуры равномерно;
3) при разряде в дефектной полости напряжение на ней снижается до нуля.
На рисунке 2 представлена модель изоляционной структуры, содержащая од ну дефектную область. Включение является имитацией крупного поверхностного a, b, c – геометрические размеры изоляционной конструкции, X, Y – геометрические размеры дефектной области;
1 – нормальная изоляция, 2 – включение Рисунок 2 – Исследуемая изоляционная структура и ее эквивалентная схема замещения дефекта и может располагаться как в центре боковой поверхности, так и быть сме щенным произвольно по координате b. Размеры дефекта определяются перемен ными параметрами X и Y, третий размер принят равным толщине c. В процессе мо делирования напряжение ступенчато подается на исследуемую систему, распреде ляется на емкостях электрической схемы замещения и становится равным UC1, UCi, UC2 и UC3. Если подаваемое напряжение достигает определенной величины Ux, а напряжение на емкости Ci превышает напряжение пробоя дефектной области Ubdi, то емкость Ci шунтируется. Исключение емкости Ci из схемы замещения сопровождается частичным разрядом. Для расчета кажущегося заряда ЧР пред лагается использовать соотношение (1), при этом предполагается, что заряд на электродах объекта постоянен, а изменение напряжения на обкладках объекта связано с увеличением его емкости от значения С0 до значения Сx.
C C q = UC0 = U x C0 x, (1) C x где U – изменение напряжения на объекте вследствие частичного разряда;
Ux – приложенное к объекту напряжение, под действием которого происходит ЧР;
С0 – начальная емкость исследуемого объекта;
Сx – емкость объекта в момент ЧР.
Достоверность разработанной модели подтверждается результатами экспе риментальных исследований характеристик ЧР в опорных изоляторах в лаборатор ных условиях: максимальное расхождение расчетных и экспериментальных значе ний кажущегося заряда поверхностных разрядов составляет 19 %.
На основании предложенной математической модели была создана про грамма для ЭВМ, имеющая свидетельство о государственной регистрации № 2009615918 от 26.10.09. Программа позволяет задавать различные размеры изо ляционной структуры и самой дефектной области, устанавливать различные ди электрические параметры материала изоляции и включения.
Для изучения влияния размеров дефектной области и параметров изоляци онной среды на величину разряда с помощью разработанной программы был проведен ряд исследований. В качестве объекта исследований была выбрана об ласть изоляционной конструкции, параметры которой были приняты в соответст вии с таблицей 1.
Таблица 1 – Параметры моделируемого объекта Размеры Параметры электроизоляционного материала моделируемой области a, мм b, мм c, мкм Электрическая Диэлектрическая прочность, МВ/м проницаемость 300 200 100 20 В результате проведенных исследований подтверждено, что из двух размеров дефекта вертикальный размер в наибольшей степени оказывает влияние на ампли туду импульса (рисунок 3). Проведенные исследования на модели с одним включе нием также показывают, что увеличение диэлектрической проницаемости материа ла изоляции приводит к снижению напряжения зажигания разряда и увеличению значения кажущегося заряда.
Основные принципы расчета, использованные при создании вышеописанной модели, легли в основу разработки более сложной имитационной модели, учиты вающей множественные внутренние дефекты и выполняющей анализ изоляцион ной структуры под действием переменного напряжения. На основании математиче ской модели автором создана программа для ЭВМ, имеющая свидетельство о госу дарственной регистрации № 2010611500 от 19.02.2010. Моделируемая область представляет собой срез или сечение изоляционной конструкции и имеет объемную структуру. Принимается допущение, что содержащиеся в изоляционном слое де фекты имеют прямоугольную форму, определяющуюся индивидуальными для ка ждого включения размерами X и Y. Третий размер включений равен толщине ис следуемого слоя. Исходными данными для моделирования служат минимальный и максимальный размер дефектных областей, количество включений, а также ампли туда приложенного напряжения. Гео метрические и диэлектрические пара метры изоляционной структуры также могут быть изменены.
В процессе формирования струк туры изоляции происходит розыгрыш размеров включений. Величины X и Y являются случайными, в большинстве случаев не равны друг другу и могут иметь значения в соответствии с задан ными пределами. Далее выполняется расстановка включений или розыгрыш Рисунок 3 – Зависимость кажущегося заряда ЧР их координат, при этом вероятность от вертикального размера дефекта нахождения дефекта в каждой точке исследуемой структуры одинакова.
Расчет моделируемой структуры изоляции выполняется для одного периода приложенного напряжения. Имитация воздействия переменного напряжения осуществляется путем замены заданной функции напряжения ступенчатой фигу рой. Для этого расчетный период разбивается на 48 временных зон, равных 7,5 эл. град. каждая. Расчет значения напряжения, приложенного к объекту, проис ходит в начале зоны. В дальнейшем в пределах зоны величина напряжения остается неизменной.
После расчета напряжения для рассматриваемой временной зоны выполняет ся анализ изоляционной структуры. В основу анализа исследуемого слоя и преобра зования его к электрической схеме замещения положена методика сечения на эле ментарные зоны. Плоскость сечения aStep движется слева направо, последователь но разбивая структуру на зоны двух типов (рисунок 4). Зоны I типа имеют одно родную диэлектрическую структуру и анализируются только на превышение элек трической прочности. Зоны II типа содержат одну или несколько дефектных облас тей;
при анализе зон данного типа выполняется расчет напряжений на элементах схемы замещения. Если напряжение на включении превышает максимально допус тимое значение, происходит пробой данной области, что эквивалентно частичному разряду. При этом величина кажущегося заряда вычисляется в соответствии с (1).
После анализа всей структуры происходит переход к следующей временной зоне расчетного периода и исследование слоя повторяется. Когда анализ всех временных зон закончен, производится оценка максимального кажущегося заряда за рассматриваемый период и расчет мощности частичных разрядов:
1 48 1 P = qTZone iU x i = (qi1 + qi 2 + + qi n )U x i, (2) T i =1 T i = где qTZone i – сумма отдельных значений кажущихся зарядов ЧР за временную зону с номером i;
T=20 мс – расчетный период времени.
Исследования, проведенные на разработанной модели, были направлены, в ос Рисунок 4 – Сечение изоляционного слоя с множеством дефектов на элементарные зоны и формирование электрической схемы замещения новном, на изучение взаимосвязи между размерами скрытых внутренних дефектов, а также их количеством и характеристиками ЧР. Параметры объекта исследования со ответствовали таблице 1, что обуславливало значение его емкости порядка 10-15 Ф.
Первое исследование заключалось в изменении размеров дефектных облас тей и оценке максимального кажущегося заряда при одном и том же уровне напря жения (рисунок 5). Количество включений оставалось неизменным и составляло 70 шт. В качестве исходных условий горизонтальный и вертикальный размеры бы ли приняты равными друг другу X=Y=h и принимали значения от 10 до 100 мкм.
Действующее значение напряжения составляло 30 кВ. Результаты компьютерного моделирования показали, что увеличение размеров скрытых дефектов приводит к резкому и непропорциональному росту амплитуды импульсов.
Второе исследование было связано с оценкой влияния размеров включений на развитие ионизационного процесса. Для этого был произведен расчет трех изо ляционных слоев, содержащих 70 включений, при различном уровне напряжения.
Первый слой содержал дефектные области размером от 10 до 30 мкм, второй – от 30 до 70 мкм, а третий – от 70 до 100 мкм. Результаты представлены на рисун ках 6 и 7. Анализ полученных данных показывает, что с увеличением напряжения амплитуда максимального кажущегося заряда и мощность импульсов растет. При этом изоляционная структура, имеющая дефекты большего размера, всегда будет иметь импульсы ЧР большей амплитуды и мощности. На рисунке 6 увеличение ка жущегося заряда происходит по линейному закону. В тоже время результаты прак тических исследований подтвердили преимущественно экспоненциальный харак тер кулон-вольтной характеристики. В действительности, процесс горения ЧР при водит к разрушению дефектных областей изнутри, вследствие чего размер включе ний увеличивается. Разработанная модель предполагает постоянный размер вклю чений, чем объясняется линейность полученной зависимости.
Исследования, связанные с изменением количества дефектов, проводились для изоляционных структур, содержащих 30, 70 и 130 включений. С ростом числа дефектов увеличиваются частота и мощность импульсов, что может привести к ра зогреву изоляции и снижению ее ди электрических свойств.
Результаты исследования на мо дели показывают, что увеличение раз мера дефектных областей приводит к возрастанию амплитуды ЧР. Измене ние числа дефектов на амплитуде раз рядов не отражается, однако влияет на величину мощности импульсов. Таким образом, постоянный контроль кажу щегося разряда и мощности ЧР позво ляет производить оценку текущего со стояния высоковольтной изоляции и дает возможность предупредить разви тие дефектов в ней до критических Рисунок 5 – Зависимость максимального значений. кажущегося заряда ЧР от размера включений Рисунок 6 – Графики зависимости Рисунок 7 – Графики зависимости максимального кажущегося заряда ЧР мощности ЧР от напряжения от напряжения Четвертая глава посвящена разработке опытного образца устройства кон троля состояния электрической изоляции оборудования тяговых подстанций. По заданию Свердловской железной дороги в соответствии с договором НИОКР НЮ 524/08 от была создана и запущена в тестовую эксплуатацию система мониторинга изоляции шин РУ-10 кВ одной из тяговых подстанций. После анализа представлен ных на рынке моделей измерительного оборудования было принято решение о по строении опытного образца на базе измерителя частичных разрядов R-400 разра ботки и производства ООО ПВФ «Вибро-Центр» (с 2010 г. – ООО «Димрус»).
Принцип действия прибора основан на измерении импульсов посредством пиковых детекторов и высокочастотных компараторов. Измеритель позволяет регистриро вать такие характеристики ЧР как амплитуда Q02 (кажущийся заряд, повторяющий ся не менее 10 раз за секунду) и интенсивность импульсов PDI (интегральная ха рактеристика, пропорциональная мощности ЧР). В приборе реализовано несколько алгоритмов отстройки от помех и два типа разбраковки зарегистрированного сиг нала (разбраковка по амплитуде и по времени прибытия импульса), что особенно важно в условиях реальной тяговой подстанции и позволяет исключить из резуль татов измерений большую часть наведенных сигналов.
Опытный образец устройства контроля был смонтирован в резервной ячейке КРУ. Высоковольтный блок устройства состоит из высоковольтных соединитель ных конденсаторов, соединенных по схеме «звезда» и подключается к шинам через разъединитель (рисунок 8). Соединительные конденсаторы служат для отделения высоковольтной цепи от измерительной, конденсатор каждой фазы имеет емкость порядка 94 пФ. В заземляющие проводники конденсаторов включены датчики ЧР типа RFCT-5 (высокочастотные трансформаторы тока). Сигналы с датчиков по ко аксиальному кабелю передаются на измеритель R-400. Система контроля имеет блок синхронизации AR-1, позволяющий «привязывать» зарегистрированные им пульсы к синусоиде питающего напряжения.
Рисунок 8 – Принципиальная схема подключения опытного образца к системе шин РУ-10 кВ При включении устройства в работу обеспечивается контроль защитной зо ны, которая состоит из I секции шин РУ-10 кВ и следующих присоединений: пи тающий ввод и обмотка 10 кВ головного трансформатора ТДТН-25000/110, обмот ка высокого напряжения трансформатора собственных нужд ТМ-400/10, фидер не тяговых потребителей и обмотка трансформатора напряжения НТМИ-10.
Калибровка устройства была выполнена в соответствии с рекомендациями действующих стандартов. В результате калибровки были получены коэффициенты чувствительности 34,88, 24,59 и 30 нКл/В для фаз A, B и C соответственно. При этом емкость каждой фазы относительно земли составляла 6…8 нФ.
Для поверки системы мониторинга было выполнено сравнение результатов измерения импульсов ЧР прибором R-400 и электронным осциллографом. Матри ца ЧР (рисунок 9) показывает, что наибольшей частотой следования обладают им пульсы амплитудой 600…800 мВ. В тоже время из осциллограммы видно (рису нок 10), что амплитуда зарегистрированного импульса составляет 800 мВ.
В процессе наладки опытного образца были поставлены эксперименты, в ходе которых уточнялись наиболее информативные места расположения измерительных датчиков и был произведен выбор наиболее эффективного способа отстройки от помех. С учетом особенностей прибора оптимальным вариантом является схема по рисунку 8. Измерение импульсов производится датчиком, установленным в фазу A.
Две другие фазы объединены, сумма сигналов импульсов ЧР фаз B и C от второго датчика поступает на шумовой канал прибора. В этом случае использование разбра ковки по амплитуде дает наибольший эффект.
Рисунок 9 – Результаты измерения ЧР системой мониторинга Опытная эксплуатация устройства показывает высокую эффективность диаг ностики состояния электрической изоляции оборудования тяговых подстанций. В качестве примера на рисунке 11 представлен график изменения амплитуды ЧР в контролируемом объекте в период с 18.04. по 20.04.2009. Измерения выполнялись в автоматическом режиме каждые 30 мин. В рассматриваемый период максимальное значение амплитуды импульсов составляет 20 нКл, что меньше критического значе ния – 100 нКл. Поэтому общее состояние электрической изоляции было признано удовлетворительным.
Известно, что изменение уровня ЧР в контролируемом оборудовании может быть связано не только с процессами старения электрической изоляции. Для изуче ния влияния внешних факторов на амплитуду импульсов результаты мониторинга были сопоставлены с данными метеорологической службы, а также с изменением величины электрической нагрузки. На рисунках 12 и 13 представлены графики из менения температуры и относительной влажности воздуха в течение рассматривае мого периода времени. В результате сравнения изменения амплитуды ЧР и параметров окружающей среды уста новлено, что наибольшая корреляция наблюдается между амплитудой ЧР и относительной влажностью воздуха (коэффициент корреляции от -0,71 до -0,78). Влияние абсолютной влажности и температуры воздуха проявляется меньше (коэффициент корреляции -0,59 и 0,63 соответственно). Взаимо связь между характеристиками ЧР и величиной электрической нагрузки Рисунок 10 – Осциллограмма импульса ЧР оборудования не выявлена.
в контролируемом объекте Амплитуда ЧР, нКл 18.04.09 0:00 18.04.09 12:00 19.04.09 0:00 19.04.09 12:00 20.04.09 0:00 20.04.09 12:00 21.04.09 0: Время Рисунок 11 – Изменение амплитуды частичных разрядов в контролируемом объекте в период с 18.04. по 20.04. 20, Температура воздуха, град. Цельсия 15, 10, 5, 0, 18.04.09 0:00 18.04.09 12:00 19.04.09 0:00 19.04.09 12:00 20.04.09 0:00 20.04.09 12:00 21.04.09 0: -5, -10, Время Рисунок 12 – График изменения температуры воздуха в рассматриваемый период Отн. влажность воздуха % 18.04.09 0:00 18.04.09 12:00 19.04.09 0:00 19.04.09 12:00 20.04.09 0:00 20.04.09 12:00 21.04.09 0: Время Рисунок 13 – График изменения относительной влажности воздуха в рассматриваемый период Анализ результатов мониторинга и воздействия внешних факторов показы вает, что для данного оборудования наибольшей амплитудой обладают поверхно стные разряды. Внутренние разряды на момент испытаний минимальны и не пред ставляют опасности для оборудования.
Выполнен расчет экономической эффективности от внедрения опытного образца устройства контроля состояния электрической изоляции оборудования РУ-10 кВ тяговой подстанции, годовой экономический эффект от внедрения уст ройства составляет не менее 230 тыс. руб.
Пятая глава. Разработана структура комплексной системы диагностическо го мониторинга оборудования тяговой подстанции. Система предназначена для осуществления непрерывного контроля состояния электрической изоляции наибо лее значимого и дорогостоящего высоковольтного оборудования: силовых масло наполненных трансформаторов, масляных или элегазовых выключателей, распре делительных устройств, кабельных и воздушных линий.
В качестве основного метода диагностики предлагается использовать анализ характеристик частичных разрядов. Дополнительным методом контроля является анализ токов проводимости высоковольтных вводов. Для более полной оценки тех нического состояния оборудования может быть реализован контроль остаточного коммутационного ресурса – для выключателей, контроль работы системы охлаж дения и анализ растворенных в масле газов – для силовых трансформаторов.
В качестве аппаратуры контроля оборудования 110 (220) кВ предлагается ис пользовать измерители частичных разрядов R-2100 или комплексные диагностиче ские приборы марок TIM-3, TIM-9 и TDM российского производства. Контроль Рисунок 14 – Упрощенная схема контролируемой тяговой подстанции оборудования 6 (10) кВ может осуществляться измерителями R-400, R-2100 или приборами марки SG-Monitor. Для контроля состояния трансформаторного масла предлагается использовать приборы производства различных иностранных фирм.
После монтажа системы диагностическое оборудование объединяется в еди ную систему. Вся информация о техническом состоянии контролируемого обору дования тяговой подстанции может быть передана по каналам связи в АСУ более высокого уровня.
Применение такого диагностического решения является эффективным спо собом предупреждения аварийных ситуаций и позволяет решить вопрос о возмож ности продления фактического ресурса оборудования без риска наступления вне запного отказа. Наличие информации о текущем состоянии позволяет также произ вести реорганизацию в системе обслуживания, выполнив переход от плановых пе риодических испытаний к контролю оборудования по его техническому состоянию.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Определен критический уровень частичных разрядов в электрической изо ляции устройств электроснабжения железных дорог. Амплитуда импульсов ЧР, равная 100 нКл, соответствует предпробойному состоянию высоковольтной изо ляции и способствует дальнейшему ухудшению ее диэлектрических свойств.
2. Разработана математическая модель объемной изоляционной структуры, учитывающая множественные внутренние и поверхностные дефекты и позво ляющая проводить оценку таких характеристик как кажущийся заряд и мощ ность ЧР при воздействии переменного напряжения на исследуемую область.
Проведено сравнение результатов моделирования поверхностных дефектов с натурными экспериментами в лабораторных условиях, подтверждена достовер ность разработанной модели. По результатам исследования на модели получе ны зависимости характеристик ЧР от размера и количества дефектных облас тей, подтверждающие взаимосвязь амплитуды и мощности импульсов с состоя нием электрической изоляции.
3. Разработан и внедрен опытный образец устройства непрерывного контро ля состояния электрической изоляции оборудования РУ-10 кВ тяговой под станции. Осуществлен выбор оптимальных мест расположения измерительных датчиков и подтверждена эффективность отстройки от помех методом разбра ковки по амплитуде. Опытная эксплуатация системы мониторинга показала ее высокую эффективность. Установлены основные зависимости характеристик ЧР в оборудовании РУ-10 кВ от параметров окружающей среды. Наибольшая корреляция наблюдается между амплитудой импульсов и относительной влаж ностью воздуха (коэффициент корреляции от -0,71 до -0,78). Влияние абсолют ной влажности воздуха и температуры проявляется меньше (коэффициенты корреляции -0,59 и 0,63 соответственно). Взаимосвязь между характеристика ми ЧР и величиной электрической нагрузки оборудования не выявлена.
4. Предложена методика комплексной оценки состояния высоковольтной изоляции оборудования тяговой подстанции по характеристикам ЧР: произве ден анализ и выбор оптимальных измерительных схем и мест расположения измерительных датчиков для силовых трансформаторов, масляных выключате лей и оборудования распределительного устройства среднего напряжения.
Предложена аппаратура контроля. На основании проведенных теоретических исследований выполнена разработка технических условий на систему монито ринга технического состояния тяговой подстанции ТУ 3185-007-77147848 для Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД».
5. Выполнен расчет экономической эффективности от внедрения опытного образца устройства контроля состояния электрической изоляции оборудования РУ-10 кВ тяговой подстанции, годовой экономический эффект от внедрения уст ройства составляет не менее 230 тыс. руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Бунзя А.А. Разработка трехмерной имитационной модели высоковольтной изоляции с множеством дефектов [Текст] / А.А. Бунзя // Транспорт Урала. – 2009.
– №4 (23). – С. 89–92. Входит в Перечень изданий рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертации.
2. Бунзя А.А. Основные результаты испытаний опытного образца устройства кон троля состояния электрической изоляции оборудования тяговых подстанций [Текст] / А.П. Сухогузов, А.П. Пятецкий, Александр А. Бунзя, Анна А. Бунзя, А.А. Макаров // Транспорт Урала. – 2009. – №3 (22). – С. 94–99. Входит в Перечень изданий реко мендованных ВАК для публикации научных результатов диссертации.
3. Бунзя А.А. Расчет трехмерной модели высоковольтной изоляции с множест вом дефектов / А.А. Бунзя, А.П. Сухогузов // Свидетельство о государственной ре гистрации программы для ЭВМ № 2010611500 Рос. Федерации от 19.02.2010.
4. Бунзя А.А. Моделирование ионизационных процессов в электрической изо ляции / А.А. Бунзя, А.П. Сухогузов // Свидетельство о государственной регистра ции программы для ЭВМ № 2009615918 Рос. Федерации от 26.10.2009.
5. Бунзя А.А. Моделирование ионизационных процессов в электрической изо ляции: разработка трехмерной имитационной модели с одним включением [Текст] / А.А. Бунзя // Вестник Уральского государственного университета путей сообще ния. – Екатеринбург : УрГУПС, 2009. – №1. – С. 90–97.
6. Bunzya A. Methods of Diagnostics of High-voltage Insulation on Railway Trac tion Substations [Текст] / А.А. Бунзя // «Trans-Mech-Art-Chem» // Труды IV Между народн. научн. студ. конф. – М. : МИИТ, 2006. – С. 22–23.
7. Бунзя А.А. Моделирование ионизационных процессов в электрической изо ляции устройств электроснабжения железных дорог [Текст] / А.А. Бунзя, А.П. Су хогузов // Молодежь и наука – третье тысячелетие : Сб. материалов Всероссийск.
научн. конф. студ., аспир. и молодых уч. / Сост.: Сувейзда В.В.;
КРО НС «Инте грация», – Красноярск, 2007. – С. 461–465.
8. Бунзя А.А. Определение состояния электрической изоляции маломощных высоковольтных трансформаторов по скорости нарастания амплитуды частичных разрядов [Текст] / А.А. Бунзя // Молодые ученые – транспорту : Труды VI межвуз.
научно-техн. конф. – Екатеринбург : УрГУПС, 2005. – С. 32–39.
9. Бунзя А.А. Совершенствование системы диагностики изоляции устройств электроснабжения железных дорог [Текст] / А.П. Сухогузов, И.А. Пятецкий, А.А. Косяков, А.А. Бунзя // Транспорт Урала. – 2004. – №3 (3). – С. 44–51.
10. Бунзя А.А. Разработка метода неразрушающего контроля изоляции транс форматоров собственных нужд по амплитудным характеристикам частичных раз рядов [Текст] / А.А. Бунзя, А.П. Сухогузов // Молодежь и наука – третье тысячеле тие : Сб. материалов Всероссийск. научн. конф. студ., аспир. и молодых уч. / Сост.: Сувейзда В.В.;
КРО НС «Интеграция», – Красноярск, 2005. – С. 348–351.
11. Бунзя А.А. Диагностика изоляции устройств электроснабжения железных дорог по характеристикам частичных разрядов при плановых периодических вы соковольтных испытаниях [Текст] / А.А. Косяков, А.А. Бунзя // Молодые ученые – транспорту : Труды V межвуз. научн.-техн. конф. – Екатеринбург : УрГУПС. В 2-х ч. – Ч. 2. – 2005. – С. 37–43.
12. Бунзя А.А. Характеристики частичных разрядов в трансформаторах напря жения 6–10 кВ [Текст] / А.А. Бунзя // Электротехника, электромеханика и электро технологии : Сб. научн. трудов IV регион. научно-практич. студ. конф. – Томск :
ЭЛТИ ТПУ. – 2004. – С. 221–224.
13. Бунзя А.А. Влияние влажности воздуха на амплитудные характеристики частичных разрядов в изоляции трансформаторов напряжения [Текст] / А.П. Сухо гузов, А.А. Косяков, А.А. Бунзя // Проблемы и перспективы развития железнодо рожного транспорта : материалы научн.-техн. конф. – Екатеринбург : УрГУПС, 2003. – Том 1. – С. 276–287.
14. Бунзя А.А. Влияние влажности воздуха на напряжение зажигания частичных разрядов в изоляции устройств 6-10 кВ [Текст] / А.П. Сухогузов, А.А. Косяков, А.А. Бунзя // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта : ма териалы научн.-техн. конф. – Екатеринбург : УрГУПС, 2003. – Том 1. – С. 271–276.