НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кутін Василь Михайлович

УДК 621.316.1.027.5 / 7.014.7

КОМБІНОВАНА СИСТЕМА ДІАГНОСТУВАННЯ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ЗМІННОГО ТА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

(ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РОЗРОБКА)

Спеціальність 05.09.03 - “Електротехнічні комплекси та системи”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електричних станцій і систем Вінницького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Жежеленко Ігор Володимирович, Приазовський державний технічний університет, ректор, завідувач кафедрою електропостачання промислових підприємств (м. Маріуполь) Міністерства освіти і науки України;

- доктор технічних наук, професор Родькін Дмитро Йосипович., Кременчуцький державний політехнічний університет, завідувач кафедри систем автоматичного управління і електропривода (м. Кременчук) Міністерства освіти і науки України;

- доктор технічних наук Разумний Юрій Тимофійович, професор кафедри систем електропостачання Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа - Інститут електродинаміки НАН України, відділ оптимізації систем електропостачання (м. Київ).

Захист відбудеться "_14_"_листопада_ 2002 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.07 в Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К.Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий "_11_"_жовтня__ 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

ради, докт. техн. наук, професор В.Т.Заїка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан і актуальність проблеми. Від надійного та економічного електропостачання суттєво залежить успішний розвиток і функціонування всього господарства України. Системи електропостачання (СЕП) промислових і агропромислових споживачів функціонально різноманітні, конструктивно складні, мають високу вартість відмов та значну автономність, тому їх відносять до складних систем. В сучасних умовах неможливо забезпечити необхідну якість СЕП без застосування на всіх стадіях їх життєвого циклу методів та засобів технічної діагностики. Особливо це стосується таких умов застосування СЕП, щоб було важливо або повністю запобігати виникнення аварійних ситуацій, або зменшити наслідки аварій, коли вони вже виникли. Значну кількість недоліків технологічного, технічного і проектного характеру можна усунути на стадії проектування, якісного виготовлення і монтажу. Але дія прихованих дефектів, несприятливих для тривалої роботи факторів, відхилень від розрахункових режимів виявляється поступово і механізм їх дії прихований, тому вирішальне значення має розробка методів діагностування і прогнозування експлуатаційних показників надійності електрообладнання, особливо електротехнічних систем з тривалим терміном використання, характеристики надійності яких можна оцінити виключно за результатами тривалої експлуатації.

Наявна система технічного обслуговування СЕП є регламентною і використовує систему діагностування, що періодично повторює діагностичні цикли, і таку, що накопичує приховані дефекти. Методологічною основою її побудови є класична теорія надійності. Використовується суто ймовірнісний підхід, а оцінки надійності достовірні в середньому для сукупності, а не окремо взятої СЕП на детермінованих умовах. Оцінки, отримані шляхом усереднення як великої кількості різних умов експлуатації СЕП, так і впливаючих факторів, неминуче приводять до суттєвих методологічних похибок теорії оцінок, і як наслідок, до великих допусків на оцінку, що робить неефективним прогнозування індивідуальної надійності СЕП. В реальних умовах процес функціонування СЕП в основному є детермінованим, параметри якого підлягають безпосередньому визначенню і не є абстрактним і усередненим на великій кількості аналогічних об’єктів. Оптимізувати взаємодію об’єктивного процесу зміни технічного стану (ТС) СЕП і суб'єктивного процесу технічної експлуатації можна шляхом виявлення прихованих дефектів на основі неперервного моніторингу та автоматизації процесу пошуку місця їх виникнення. Якщо моніторинг не може бути неперервним, то повинен передбачатись стан експлуатації (операції), коли СЕП додатково перевіряється, тобто система технічного обслуговування повинна грунтуватися на комбінованій системі діагностування.

Тому розвиток теорії побудови комбінованих методів діагностування з метою створення діагностичного забезпечення динамічної системи керування індивідуальною надійністю систем електропостачання під час їх експлуатації, що збільшить період безвідмовної роботи, зменшить недовідпуск електроенергії споживачам, енергетичні і ресурсні витрати, пов'язані з експлуатацією і ремонтом, є актуальною науково-прикладною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, викладені в дисертації, отримані в процесі наукових досліджень, які проводились автором у відповідності з комплексним планом розвитку науки та прискорення НТП в областях північно-західного регіону УРСР на 1982-1985 рр. (північно-західний науковий центр АН УРСР) за програмою “Автоматизація” (п. 3.3.9.3.3.16); координаційним планом “Про стан робіт по створенню систем діагностики” (п. 4.7), затвердженим Колегією Міненерго УРСР 21.11.1985 р.; науково-технічною програмою 0.74.08, затв. Постановою ДКНТ СРСР №555 (етап 02.0.2.02) від 30.10.1985р.; галузевою науково-технічною програмою Міненерго СРСР 0.1.0.610 (п 08.01.Н3); тематичними планами виробничих об’єднань і окремих підприємств. Згідно з цими програмами під керівництвом автора виконані науково-дослідні роботи: “Исследование, разработка и внедрение средств повышения надежности электроустановок на предприятиях ПЭО “Винницаэнерго” // Отчет о НИР, руководитель В.М. Кутин /Винницкий политехн. ин-т №2114, ГР 80067798, Инв.02830042944, Винница, 1983, 76 с.; “Внедрение комплекса средств диагностики распределительных сетей 10–35 кВ с изолированной нейтралью”// Отчет о НИР, руководитель В.М. Кутин /Винницкий политехн. ин-т №2121, ГР 18550065697, Инв. 02870016922, Винница, 1990, 65 с.; “Разработка и внедрение методов и средств поиска повреждений в распределительных сетях 6–35 кВ” // Отчет о НИР, руководитель В.М. Кутин /Винницкий политехн. ин-т № 2140, ГР 0194U016486, Инв. 03920003489, Винница, 1994, 65 с. та інші.

Мета і задачі досліджень. Створення діагностичного забезпечення процесу динамічного керування індивідуальною надійністю системи електропостачання промисловості і агропромислового комплексу під час їх експлуатації на основі комбінованих методів діагностування для підвищення рівня надійності і безпеки та високої ефективності їх використання за призначенням.

Для досягнення мети поставлені і вирішені такі задачі:

- теоретичне обґрунтування і розробка принципу побудови і прийняття рішень комбінованої системи діагностування з метою забезпечення динамічного керування індивідуальною надійністю СЕП в процесі її експлуатації;

- теоретичне обґрунтування і розробка методів діагностування елементів та групи взаємодіючих елементів систем електропостачання для визначення технічного стану на ранній стадії розвитку несправностей елементів з метою підвищення вірогідності діагнозу і мінімізації частки несправних елементів;

- теоретичне обґрунтування і розробка методів діагностування системи електропостачання для пошуку місця несправностей на різних стадіях їх розвитку з метою зменшення недовідпустки електроенергії, часу пошуку та експлуатаційних витрат;

- розробка вимог, принципу побудови та засобів реалізації автоматизованого комплексу для визначення технічного стану і пошуку місця несправностей в системах електропостачання змінного та постійного струму;

- експериментальне дослідження засобів технічного діагностування і доведення їх до практичного використання в задачах динамічного керування індивідуальною надійністю системи електропостачання змінного та постійного струму.

Об’єкт дослідження. Процеси зміни технічного стану елементів систем електропостачання під час їх експлуатації.

Предмет дослідження. Визначення технічного стану і пошук місць несправностей в системах електропостачання на основі алгоритмічного, сигнально-параметричного і фізичного відтворення моделі об’єкта діагностування і режимів неперервного контролю працездатності за інтегральним діагностичним параметром, призначеним ресурсом та відмовами.

Методи досліджень. Використані теоретичні і експериментальні методи, зокрема, методи аналізу надійності систем з резервуванням та відновленням для оцінки відповідності досягнутих показників надійності і ефективності СЕП показникам, заданим в технічних вимогах; алгоритмічний, сигнально-параметричний, фізичний та евристичний методи опису СЕП, групи взаємодіючих та окремих деградуючих елементів для визначення технічного стану; теорія дистанційних, топографічних методів та структурний аналіз СЕП для побудови програми пошуку пошкоджень; методи динамічного програмування для оптимізації послідовності перевірок СЕП; методи аналізу чутливості та врахування інформаційного аспекту при виборі сукупності контрольованих показників; методи структурної інформаційної теорії надійності для побудови математичної моделі взаємозв’язку між ланцюгами діагностування та об’єктом діагностування і створення на її основі загального алгоритму діагностування та програмного забезпечення для керування індивідуальною надійністю СЕП; вибір засобів перевірки технічного стану діагностування здійснювався на основі теорії організації систем та класичної теорії похибок.

Достовірність результатів досліджень підтверджується шляхом ретроспективної перевірки створених методів і моделей, розв’язанням відповідних задач за допомогою запропонованих методів та моделей і порівняння їх результатів з результатами, отриманими апробованими на практиці методами; реалізація запропонованих методів, моделей і алгоритмів діагностування у вигляді пристроїв і системи, їх випробувань на стендах і в умовах промислових підприємств, а також впровадження їх у виробництво і у навчальний процес.

В основу рішення наукової проблеми покладені праці і результати досліджень відомих учених:

- по теорії надійності систем електропостачання – Гнеденка Б.В., Зоріна В.В., Пруса В.В., Розанова М.М., Сінчугова Ф.І., Тісленка В.В, Федосенка Р.Я.

- по структурах і схемах підвищення якості електропостачання – Афанасьєва М.А., Анрієвського В.А., Волотковського С.А., Жежеленка І.В., Кузнєцова В.Г., Шидловського А.К.

- по діагностичному забезпеченню систем електропостачання – Гуляєва В.А., Кириленка.О.В., Пархоменка П.П., Пампуро В.І., Півняка Г.Г., Сироти І.М., Стогнія Б.С., Счасливого Г.Г., Мозгалевського А.В., Мокіна Б.І., Родькіна Д.Й., Шкрабця Ф.П., Цапенка Е.Ф.

Основні наукові положення та їх новизна :

1. Наявна система технічного обслуговування і ремонту СЕП використовує стратегію відновлювальних дій після відмови та попереджувальну за наробітком. В першому випадку безвідмовність і нижня границя втрат залежить тільки від надійності самих елементів. В разі використання стратегії відновлення за наробітком завжди виникають втрати від відмови одних елементів і невикористаний ресурс інших. Зменшити один вид втрат без одночасного збільшення іншого не можна. Коли використовується стратегія відновлення за технічним станом, існує можливість одночасно зменшити втрати і від відмови і від недовикористаного ресурсу, при цьому тим в більшій мірі, чим менші будуть витрати на діагностування, але існують обмеження в її застосуванні, пов'язані з неможливістю контролю взагалі, або з прийнятою точністю і вартістю діагностичні параметри неруйнуючими методами. Тому для СЕП призначати одну і ту ж стратегію відновлювальних дій недоцільно. Для кожного елемента, блока повинна використовуватись своя стратегія з урахуванням її впливу на якість електропостачання в процесі експлуатації, а агрегація множини локальних методів діагностування у загальний алгоритм забезпечення індивідуальної надійності СЕП повинна здійснюватись так, щоб кожна підсистема аналізувалась своїм локальним, а їх взаємозв'язок загальним інформаційним методом на основі комбінованої системи діагностування.

2. На відміну від наявної, методологія побудови комбінованої системи діагностування повинна грунтуватись на узгодженні та агрегації причинно-наслідкового детермінованого підходу з його стохастичним розвитком, так щоб детермінований підхід врахував аналогові зв'язки, а стохастичний дозволяв побудувати модель зв'язку СЕП з аналоговими і дискретними, лінійними і нелінійними, неперервними і розірваними ланцюгами діагностування. Процедуру діагностування потрібно будувати на основі метода послідовного аналізу і перехід в режим відновлення визначати за сигналом інформаційної змінної неперервного контролю інтенгрального діагностичного параметру. Така система діагностування значно підвищує інтенсивність контролю та відновлення і зменшує інтенсивність відмов, так як діагностування із змінним інтервалом циклів дозволяє оптимізувати об'єм дефектів, що накопичуються і визначити вплив системи діагностування на експлуатаційні показники СЕП.

3. Досвід експлуатації СЕП показав, що 60-90% відмов зумовлені зміною технічного стану ізоляції окремих елементів відносно землі. Доведено, що основною причиною зміни ТС ізоляції СЕП відносно землі є утворення шунтувальних зв'язків між струмопровідною частиною СЕП і землею, які під дією вологи навколишнього середовища та перенапруг змінюють свій активний опір. Зволоження призводить до поступового зменшення активного опору, а перенапруга викликає раптову зміну, яка носить форму одного, або серії імпульсних пробоїв з відновленням активного опору шунтувального зв'язку, або виникнення стійкого та не стійкого замикання на землю. Контроль динамічної характеристики активного опору ізоляції СЕП дозволяє отримати необхідну інформацію для виявлення несправності ізоляції окремих елементів на ранній стадії їх розвитку неруйнуючими методами, тому в якості інтегрального діагностичного параметра необхідно використовувати динамічну характеристику активного опору ізоляції СЕП відносно землі.

4. В разі керування процесом пошуку несправностей у СЕП, важливим є не стільки факт виявлення несправності, скільки визначення оптимальної стратегії використання системи в різних умовах її експлуатації. Пошук несправності передбачає не тільки установлення її місця, але і визначення стратегії відновлення системи шляхом усунення несправності за допустимий по умовам експлуатації час, або вмиканням резерва і переходом на інші варіанти керування, тому необхідно проблему оптимізації процесу пошуку розглядати з позиції ранжування інформаційно і енергетично взаємопов'язаних елементів (ланцюгів) системи електропостачання, що діагностується.

Практична цінність отриманих результатів роботи полягає в тому, що вони спрямовані на розв’язання конкретних задач створення діагностичного забезпечення процесу динамічного керування індивідуальною надійністю СЕП змінного та постійного струму в процесі їх експлуатації на основі комбінованої системи діагностування. Запропоновані діагностичні моделі і методи діагностування реалізовані у вигляді номенклатури діагностичних параметрів та ознак і їх характеристик, алгоритмів діагностування і програмного забезпечення, правил вимірювання діагностичних параметрів, визначення структурних параметрів, аналізу та обробки діагностичної інформації та прийняття рішень. Способи визначення діагностичних параметрів та пошуку місця несправностей реалізовані у вигляді дослідних, експериментальних і серійних зразків пристроїв і оптимізованих алгоритмів, об’єднаних у автоматизований комплекс засобів технічного діагностування. Більшість теоретичних положень роботи доведено до конкретних інженерних методик, технічних вимог, правил.

Інформаційно-вимірювальна підсистема контролю працездатності ізоляції впроваджена в розподільні мережі 6-10 кВ Вінницької, Хмельницької, Чернівецької областей, РЕУ “Архенерго”, “Магаданенерго”, в розподільні мережі 0,4 кВ “Вінницянерудпром” та у вигляді чутливого захисту від однофазних замикань на землю в блок генератор-трансформатор на Дністровській ГЕС ДКК ГЕС і ГАЕС; програмно-вимірювальна підсистема для пошуку місць пошкодження впроваджена в розподільних мережах 6-10 кВ Вінницької, Хмельницької та Чернівецької областей; інформаційно-вимірювальна система для контролю ізоляції і пошуку місць пошкодження впроваджена в мережах постійного струму п/в “Бобруйскшина” Могильовської обл.; двопровідних мережах оперативного постійного струму 220 В підстанції “Вінницька” ВЕО “Вінницяенерго”, Дністровській ГЕС ДКК ГЕС і ГАЕС; пристрій для визначення груп з'єднань обмоток трансформатора використовується більш ніж на 100 підприємствах країн СНД.

Особистий внесок автора полягає в розвитку теорії побудови комбінованої системи діагностування СЕП на основі розроблених підходів, критеріїв, способів, моделей і методів, створенню автоматизованого комплексу засобів діагностування.

Особистий внесок в роботах, написаних у співавторстві: в монографії [1] написані розділи 1, 2 та параграфи 3.1-3.5 третього розділу; в монографії [2] написані розділи 1, 2, 3 та параграф 4.3 в четвертому розділі; у роботi [25] математична модель режимів функціонування існуючої системи обслуговування, її аналіз та шляхи вдосконалення; [18, 26, 46, 54, 55, 56] - ідея керування технічним станом СЕП по технічному стану параметрів ізоляції всієї мережі відносно землі [28, 29], теоретичне обґрунтування комбінованої системи діагностування СЕП; [15, 19, 22, 48] - методи та засоби реалізації неперервного та періодичного контролю ізоляції в розподільних мережах (РМ) змінного струму [16, 21, 23, 45, 49, 53] - математична модель визначення умов працездатності ізоляції в РМ постійного струму, методи та засоби реалізації неперервного та періодичного контролю ізоляції полюсів мережі; [11, 12] - обґрунтування необхідності контролю заземлюючої мережі, методи та способи реалізації; [13, 14, 17, 20] - математична модель визначення групи з’єднань обмоток трансформатора, алгоритм реалізації пристроїв контролю; [24, 27, 47, 51, 54] - програма та оптимізація алгоритму пошуку пошкоджень в РМ змінного та постійного струму, методи дистанційного та топографічного визначення місць пошкоджень; [27, 55] - методика та розрахунок техніко-економічних показників комбінованої діагностичної системи керування ТС РМ.

У винаходах [32, 40, 42] - обґрунтовані принципи досягнення новизни: використання струмів перехідного процесу при виникненні шунтувального зв'язку, способи їх вимірювання; [31, 39] - запропоновано рішення, що дозволяє зменшити кількість випробувань та алгоритм визначення номера групи з'єднань силових трансформаторів; [33, 35, 36, 38, 41] - запропоновано рішення, яке дозволяє розрізнити оперативний сигнал при виникненні раптового та поступового зниження опору ізоляції мережі та спосіб його реалізації і шлях досягнення новизни; [37] - принцип підвищення точності вимірювання, спрощення реалізації системи та алгоритм визначення відстані до місця пошкодження; [42]- запропоновані рішення, які забезпечують принцип досягнення новизни: шунтування контактів роз'єднувача та місце прикладання механічного навантаження під час випробування.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на: Всесоюзних конференціях “Проблеми електробезпеки і надійності в гірничорудній промисловості” в 1975 р., м. Орджонікідзе; “Підвищення якості електроенергії” в 1978 р., м. Київ; “Електробезпека гірничорудних підприємств чорної металургії СРСР” в 1979 р., м. Дніпропетровськ; “Шляхи економії і підвищення ефективності використання електроенергії в системах електропостачання промисловості і транспорту” в 1984 р., м. Казань; “Шляхи підвищення ефективності електропостачання промислових підприємств” в 1985 р., м. Челябінськ; “Електробезпека, маркетинг розробок” в 1991 р., м. Калінінград; “Проблеми електробезпеки в народному господарстві” в 1991 р., м. Челябінськ; науково-технічних конференціях країн СНД: “Контроль і управління в технічних системах” в 1992, 1993, 1995, 1997 р.р., м. Вінниця; Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці і електроенергетиці” в 1995 р., м. Львів. Результати робіт експонувалися на ВДНГ СРСР і УРСР в 1982 –90 р.р. і були відзначені дипломами та медалями.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у двох монографіях, 27 статтях у наукових фахових журналах (із них 8 самостійних), 15 авторських свідоцтвах (із них 3 самостійних), 18 доповідях і тезах конференцій (із них 3 самостійних) – усього в 62 наукових працях, у тому числі 14 самостійних.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, дев’яти розділів, висновків, списку літературних джерел із 257 найменувань на 25 сторінках, 10 додатків на 181 сторінці. Загальний обсяг дисертації 507 сторінок, із них основний текст 296 сторінок, рисунків 55 (із них 22 на 22 повних сторінках), таблиць 20 (із них 8 на 8 повних сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми дисертації, відзначено зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами галузевого міністерства, його підприємств та Вінницького державного технічного університету, де вона виконувалась, сформульовано мету, об’єкт, предмет і задачі досліджень, показано наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, а також розкрите питання апробації результатів дисертації на конференціях та семінарах, їх висвітлення у фахових друкованих виданнях.

У першому розділі виконано аналітичний огляд системи технічного обслуговування та ремонту (ТО і Р) СЕП промисловості і агропромислового комплексу в Україні та за кордоном, методів та засобів технічного діагностування для визначення технічного стану СЕП та місця їх несправності, номенклатури діагностичних параметрів. Встановлено, що для такої складної системи як СЕП, недоцільно призначати одну й ту ж стратегію проведення відновлювальних дій. Для кожного елемента, блока повинна вибиратись своя стратегія з урахуванням її впливу на забезпечення показників якості електропостачання. Це потребує поєднання принципово різних методів діагностування, кожен з яких вирішує відповідну локальну задачу забезпечення індивідуальної надійності СЕП, кінцевий результат (цільову функцію) можна отримати коли існує зв'язок між множиною різних методів діагностування.

Таким чином, для вирішення проблеми підвищення безвідмовності і довговічності системи електропостачання промисловості і агропромислового комплексу в процесі їх експлуатації необхідне діагностичне забезпечення. Діагностичне забезпечення повинно виконуватись шляхом розробки теоретичної бази комбінованого методу діагностування і створення автоматизованого комплексу засобів діагностування. Теоретично проблема розпадається на такі комплексні задачі:

- розробка комбінованого методу діагностування СЕП змінного та постійного струму для визначення та прогнозування їх технічного стану в процесі експлуатації;

- розробка комбінованого методу діагностування СЕП змінного та постійного струму для пошуку та локалізації місця несправності чи відмови.

Побудова комбінованої системи діагностування потребує розробки принципово нової процедури діагностування і принципу прийняття рішення про проведення відновлювальних робіт. Виходячи з характеристик об’єкта і умов його експлуатації, доцільно процедуру діагностування будувати на основі методу послідовного аналізу, коли спочатку шляхом неперервного контролю узагальнюючого діагностичного параметра отримують інформацію про ТС СЕП. За допомогою більш точних методів періодичного контролю уточнюють діагноз. Якщо діагноз – об’єкт несправний, то реалізується процедура пошуку несправностей спочатку неточними, але автоматичними методами, а потім, в разі необхідності, автоматизованими точними з виділенням пошкодженої ділянки мережі і вмиканням непошкоджених до резервного джерела живлення. Шляхом обходу, огляду та вимірювання перевіряється ТС апріорно визначених елементів СЕП для даного циклу діагностування з метою прогнозування їх технічного стану та зменшення кількості накопичених дефектів.

В якості інтегрального діагностичного параметра ТС РМ доцільно використовувати динамічну характеристику активного опору ізоляції всієї мережі. Існуючі методи неперервного контролю ізоляції не дозволяють відобразити динамічну характеристику активного опору ізоляції мережі відносно землі. Не нормується і величина активного опору ізоляції, тому існує необхідність побудови та аналізу діагностичної моделі для визначення умов працездатності ізоляції та її нормуванню. Для підвищення вірогідності діагнозу неперервний контроль необхідно доповнювати більш точним періодичним контролем ізоляції окремих фаз. Існуючі методи пофазного контролю використовують велику кількість на співпадаючих з часом режимів досліджень та складні алгоритми розрахунку кінцевого результату, тому існує задача їх вдосконалення. В двопровідних мережах постійного струму для неперервного контролю ізоляції та безпеки від уражень електричним струмом застосовують захисне вимикання. Дослідження показали, що існуючі пристрої реагують тільки на загальний опір мережі відносно землі, що призводить до хибних вимикань мережі та простою високопродуктивних машин і механізмів, тому існує задача оптимізації захисної характеристики та розробка методів її реалізації. Для підвищення вірогідності діагнозу ТС ізоляції на ранній стадії розвитку пошкоджень необхідно неперервний контроль доповнювати більш точним періодичним контролем ізоляції окремих полюсів. Проведені дослідження показали необхідність їх вдосконалення у напрямку підвищення точності та спрощення алгоритму обчислень.

Пошук місць пошкоджень в розподільних мережах змінного та постійного струму здійснюють шляхом контролю динамічних або статичних характеристик пошкодженого об’єкта. Дослідження цих методів показало, що існує задача вдосконалення процесу пошуку пошкоджень в РМ як змінного, так і постійного струму. Враховуючи особливості об’єкта дослідження, рішення цієї задачі лежить на шляху сумісного використання досконалих дистанційних, топографічних методів та методу послідовного поділу мережі.

Комбінована система діагностування (КСД) перетворює регламентну систему в систему із змінними інтервалами циклів, тому виникає задача оптимізації об’єму та послідовності перевірок деградуючих елементів в кожному діагностичному циклі та розвитку теорії і практики формування локальних критеріїв оцінки працездатності окремих елементів для підвищення вірогідності діагнозу, зменшення кількості накопичуваних дефектів та експлуатаційних витрат. Для створення комбінованої системи діагностування необхідно застосовувати різні ланцюги діагностування: неперервні і розірвані, аналогові і дискретні, лінійні і нелінійні, тому існує задача розробки методології агрегації їх з СЕП в єдиний електротехнічний комплекс з загальним алгоритмом функціонування для забезпечення динамічного керування індивідуальною надійністю СЕП. Поставлена проблема практично вирішується шляхом створення автоматизованого комплексу для визначення технічного стану та пошуку місць несправностей чи відмов, математичного і програмного забезпечення цих процесів. В зв’язку з цим постає питання формулювання вимог до структури комбінованої системи діагностування, її складу, технічних характеристик окремих частин.

В другому розділі викладена методологія побудови та показники комбінованої системи діагностування СЕП. Методологія побудови КСД ґрунтується на поєд-

нанні та узгодженні причинно-наслідкового детермінованого підходу з його стохастичним розвитком на основі структурно-інформаційної теорії надійності. Функціональна схема КСД зображена на рис. 1, де ОП – об’єкт перевірки; ЗС – зовнішнє середовище; ППТС – підсистема перевірки ТС об’єкта; КП – керуючий пристрій; (t) – задана мета керування; (t) – параметри перевірки ТС об’єкта; L(t) – параметри зовнішнього середовища; (t)= (t) , (t), L(t) – алгоритм керування.

Метою керування є підтримка на заданому рівні коефіцієнтів готовності КГ, прос-тою КПР, технічного використання КТВ, та технічної готовності КТГ СЕП. До числа параметрів зовнішнього середовища L(t) віднесено масив довідкової бази по мережах та техніко-економічні показники, показники діяльності служби експлуатації та ремонту СЕП, облік наявних матеріалів, запасних частин та комплектуючих пристроїв тощо. Алгоритм керування ТС СЕП відображено у вигляді структурно-інформаційного графа (рис. 2). Перший шлях графа відображає нормальні умови експлуатації. Другий – керування по технічному стану; третій – керування в разі відмови.

Для визначення технічного стану елементів СЕП об’єктивними методами використано модель типу

(1)

де – вектори відповідно вхідної і вихідної величини;

А, А0 – оператори, що характеризують відповідно працездатність системи та норму.

Запропоновано асимптотичне рішення для визначення впливу комбінованої системи діагностування на експлуатаційні показники СЕП. Суттєвими властивостями, характерними для поведінки і обслуговування РМ, в даному випадку є невисока інтенсивність відмов і навпаки, значна інтенсивність контролю та відновлення. Це дає можливість описувати поведінку системи пуасонівським потоком, коли довільні закони відмов, контролю, ремонтувань, характеристик структури і ремонтоздатності. Розглядалась модель такого виду: система складається із NЛ вузлів, з’єднаних послідовно в плані надійності; кожний і-ий вузол є – кратне резервне з’єднання елементів k-го типу; відомі щільність ймовірності відмови елемента і-го типу – , та закону контроля – Z(t), інтенсивність відмов , та контролю ; обов’язково виконується умова , де – середній час перебування системи в непрацездатному та працездатному стані. Показано, що для такої моделі системи коефіцієнт її готовності можна представити як

, (13)

де Т – час експлуатації системи;

– функції розподілу ймовірностей часу безвідмовної роботи, які тотожньо рівні ймовірності відмови і-го вузла відповідно в разі профілактичної заміни та повної відмови;

– математичне очікування часу відповідно контрольованого та неконтрольованого простою і-го вузла СЕП.

В третьому розділі побудовані діагностичні моделі, визначені умови працездатності та вибрана сукупність контрольованих показників для оцінки працездатності ізоляції СЕП змінного та постійного струму. Для побудови діагностичних моделей використано рівняння (1). Природною вхідною величиною для СЕП змінного струму є фазна (лінійна) напруга джерела живлення, а найбільш інформативною ознакою зміни стану параметрів ізоляції є струм витікання через шунтувальний зв’язок між фазою мережі і землею. Отримано залежності для струму в шунтувальному зв’язку з активним опором r3 для граничних станів параметрів ізоляції мережі. При симетрії rA = rB = rC = r; СA = СB = СC = С та у випадку граничної несиметрії, коли rA, rB = rC = r.

Ці залежності були використані для визначення умов працездатності ізоляції. Враховуючи те, що дотримання електробезпеки експлуатації РМ є незаперечною вимогою, в якості обмежень вихідних характеристик запропоновано використовувати гранично допустимі рівні напруги дотику і струмів протікання через тіло людини, що пропонує ГОСТ 12.1.038-82.

Умови працездатності ізоляції подані у вигляді залежності допустимої зміни активного опору ізоляції мережі відносно землі від активного опору ізоляції r0, якщо C=const і Um=const. Запас працездатності ізоляції визначається як

. (19)

Показано, що при виборі сукупності контрольованих показників необхідно враховувати не тільки rО та Co, але і ступінь несиметрії активної провідності окремих фаз.

У двопровідних мережах постійного струму, оснащених засобами захисного вимикання, оцінку впливу пошкоджень на величину омічного опору ізоляції полюсів відносно землі також отримано за допомогою аналізу струму витікання через шунтувальний зв’язок, величина та час існування якого обмежується гранично допустимим рівнем заданим ГОСТ 12.1.038-82. Аналіз моделі з пошкодженням показав, що при постійній відносній величині одного із омічних опорів полюсів R1* і зміні опору ізоляції другого полюса в межах переважають вимоги до обмеження величини струму в перехідному режимі і допустима величина опору шунтувального зв’язку визначається як Rз l/m (l+R2*/R1), а коли 0 < R2* < (m-l)/m, переважають вимоги до обмеження струму в сталому режимі і RЗ (1-R2*)/(1+R2*/R1*). В разі симетричного зниження опору ізоляції, умовою працездатності є Rm* =1-2Rдоп мін*, де - відношення гранично допустимих величин струмів в перехідному (t 0,2 c) та сталому (t l c) режимі; U0 – напруга джерела струму; = 6 кОм (ГОСТ 12.1.038-82).

В четвертому розділі розглянуті принципи формування локальних критеріїв оцінки працездатності елементів РМ. В якості основних деградаційних елементів повітряних мереж виділено провідники мережі, опори, ізолятори, комутаційні апарати, трансформатори, систему заземлення, охоронну зону. Визначені умови працездатності цих елементів. Показано, що потенціальними носіями погіршення технічного стану елементів є як конструктивні, так і не конструктивні параметри. В більшості випадків параметри технічного стану мають кількісну оцінку у вигляді номінального н, проміжного к та граничних величин. Проміжна величина параметру і якість елементу в експлуатації мають визначений зв’язок. Аналіз цього зв’язку можна проводити на різних рівнях - на рівні параметрів: опір ізолятора, обмоток трансформатора, системи заземлення або на рівні узагальнюючих параметрів – стріла провисання дроту, кут нахилу опори, напруга пробою ізолятора, функціонування комутаційних апаратів, трансформатора.

Стрибкоподібна зміна параметрів елементів СЕП має малу ймовірність. Цьому передує квазімонотонне накопичення пошкоджень, яке приводить до зміни механічних, електричних і фізико-хімічних властивостей матеріалу конструктивного елементу. Оскільки ці зміни нерідко виникають починаючи з атомно-молекулярного рівня, вимірювання їх в умовах експлуатації є складною задачею без використання методів та засобів руйнування самого елементу. Значна частина елементів механічних вузлів підлягає знакозмінним навантаженням, що приводить до монотонного накопичення утомних пошкоджень в елементах з наступним їх руйнуванням (кк). Утомні пошкодження є причиною раптових відмов СЕП. Раптові відмови через утомні пошкодження уявні. В дійсності розвиток пошкоджень у вигляді утомних тріщин, корозії носить поступовий характер, а випадковість моменту повного руйнування зумовлена тільки випадковим характером зовнішніх навантажень. Відмова конкретного елементу викликає різні наслідки в залежності від його функціонального призначення.

Процес визначення ТС елементів РМ, які мають різну фізичну природу і розподілені в просторі, може бути ефективним, якщо раціонально поєднує можливості оператора і технічних засобів.

В п’ятому розділі розглядаються методи контролю ТС ізоляції СЕП змінного струму. Запропоновано метод неперервного контролю динамічної характеристики активного опору ізоляції СЕП і періодичного контролю параметрів ізоляції кожної фази СЕП відносно землі. Неперервний контроль активного опору ізоляції ґрунтується на комбінованому методі накладання на контрольовану мережу джерела постійного струму та використання струму перехідного процесу в колі попередньо зарядженого конденсатора. Оперативний сигнал формується за допомогою Т-подібного чотириполюсника, утвореного двома активними опорами та ємністю. Вхід його вмикається до джерела постійного струму, а вихід - паралельно ємнісному фільтру, ввімкненому між фільтром приєднання до мережі, в якості якого використовується первинна обмотка трансформатора напруги, та землею. Побудова математичної моделі та її аналіз, показав, що при поступовому зменшенні величини активного опору ізоляції струми в активних опорах чотириполюсника однакові і наростають за експоненційним законом. Усталена величина струму пропорційна загальному активному опору мережі відносно землі. В момент виникнення шунтувального зв’язку струм в резисторі чотириполюсника, ввімкненого між ємністю попередньо зарядженого конденсатора і фільтром приєднання до мережі, змінюється стрибкоподібно, досягаючи максимальні величини, а потім затухає за експоненційним законом, наближаючись до усталеної величини струму в другому резисторі чотириполюсника. Максимальна величина струму в цьому резисторі обернено пропорційна активному опору в місці замикання. Ємність мережі відносно землі не суттєво впливає на екстремальну та усталену величину струмів. Аналізувався режим роботи методу контролю ізоляції в разі поступового підвищення та зниження опору ізоляції в місці виникнення шунтувального зв’язку. Результати досліджень показали, що струм в резисторах чотириполюсника змінювався у відповідності із процесом зміни опору ізоляції. Запропонований метод забезпечує необхідну чутливість контролю динамічної характеристики зміни активного опору ізоляції.

Для визначення параметрів ізоляції кожної фази мережі відносно землі запропоновано метод періодичного контролю ізоляції, що ґрунтується на принципі штучного зміщення нейтралі фазних напруг мережі на середину вектора лінійної напруги. В разі визначення параметрів ізоляції однієї із фаз мережі, що знаходиться під напругою, між двома іншими фазами і землею вмикають зірочку провідностей, параметри якої налаштовані на послідовний резонанс для промислової частоти.

В шостому розділі розглядаються методи визначення технічного стану ізоляції двопровідних мереж постійного струму. Для підвищення точності вимірювання та спрощення визначення опору полюса мережі відносно землі запропоновано два методи. Перший з них базується на вмиканні між полюсом мережі та землею незарядженого конденсатора з ємністю С та вимірюванні максимальної величини струмів заряду конденсатора і напруги між полюсами контрольованої мережі . По відношенню цих величин визначаються омічні опори R1, R2 ізоляції полюсів мережі відносно землі

(23)

де С1 – ємність ізоляції полюса мережі відносно землі.

Враховуючи те, що С >> C1, похибка методу буде залежати тільки від точності вимірювальної системи. Другий метод ґрунтується на накладанні джерела постійного струму різної полярності з відомою величиною напруги між загальною точкою дільника із двох омічних опорів R і землею. Опір ізоляції полюсів мережі обчислюють за формулою

(24)

де – різниця струмів в сталому режимі при різній полярності джерела струму, що підключається.

Опори ізоляції окремих полюсів визначаються як

(25)

де .

В даному випадку похибка вимірювання буде залежати від співвідношення і . Для реальних умов , тоді .

Запропоновано принцип виконання пристрою захисного вимикання (ПЗВ), що дозволяє реалізувати оптимальну функціональну характеристику (ОФХ). Принцип виконання ПЗВ ґрунтується на визначенні струму через місце витікання (через тіло людини) як в перехідному, так і в усталеному режимах. Для визначення максимальної величини струму в перехідному режимі (перша ділянка ОФХ) пропонується метод контролю струму перезаряду додатково введених конденсаторів між полюсами мережі і землею. Показано, що незалежно від параметрів ізоляції при t = 0, струм в реагуючому органі завжди дорівнює струму через місце витікання .

Усталена величина струму визначається як

. (26)

Еквівалентний омічний опір ізоляції полюсів мережі відносно землі відповідно до моменту виникнення шунтувального зв’язку та після нього визначається шляхом накладання на контрольовану мережу джерела змінного струму через додатково введені конденсатори. При цьому контролюють активну складову струмів, яка обернено пропорційна опорам. Для обмеження симетричного зниження опору ізоляції (третя ділянка ОФХ) контролюється величина загального опору ізоляції Rіз та ступінь несиметрії ізоляції полюсів мережі. Узгодження захисної характеристики ПЗВ з ОФХ по умовах електробезпеки здійснюється шляхом вибору співвідношення між напругою джерела постійного та змінного струму. Теоретично обґрунтовано, що запропонований метод в екстремальних умовах забезпечує перевищення ОФХ не більше ніж на 16% (запас надійності при спрацюванні).

В сьомому розділі викладені принципи побудови програми пошуку місця пошкодження в розподільних мережах змінного та постійного струму. Пошук пошкоджень розглядається як послідовність операцій виявлення пошкодженої СЕП, лінії, ділянки лінії та її елемента, що виключає надлишковість в спрямуванні і скорочує час, необхідний на перевірку. Стратегія пошуку передбачає використання як динамічних, так і статичних характеристик системи. В разі використання динамічної характеристики системи для пошуку місця міжфазного к.з. на повітряній РМ пропонується дистанційний метод, що ґрунтується на визначенні відстані до місця к.з. за результатами вимірювання та фіксування реактивної складової напруги петлі к.з. Up, різниці струмів в пошкоджених фазах ІН до моменту виникнення к.з. та при к.з. ІК на кожному приєднані.

В даному методі точність вимірювання буде залежати від точності вхідних даних і вимірювальної системи. Математичні, логічні операції та індикацію результатів вимірювання пропонується виконувати за допомогою переносного пристрою. Один такий пристрій може обслуговувати всі підстанції, що значно спрощує інформаційно-вимірювальну підсистему (ІВП).

Використання статичних характеристик системи дає більш надійніші результати, але процес пошуку є багатокроковим, тому існує необхідність оптимізації послідовності перевірок. На першому кроці визначається пошкоджена лінія. На другому кроці оптимізується послідовність перевірок окремих ділянок лінії, які можна виділити комутаційним апаратом з метою виділення пошкодженої ділянки та вмикання резервного джерела до непошкодженої частини лінії. В якості критерія оптимізації використовується недовідпуск електроенергії коли РЗ діє на вимикання, а при дії РЗ на сигнал – Кінцевий результат видається у вигляді умовного алгоритму пошуку пошкодженої ділянки, тобто схеми, в якій показана послідовність перевірок в залежності від реакції фіксуючої системи на цю перевірку і необхідність вмикання резервного джерела живлення до непошкодженої частини лінії. Спочатку визначається безумовний алгоритм пошуку. СЕП подається функціональною моделлю. Задається множина станів, кожний з яких характеризується n – мірним вектором. Кожна -а компонента вектора є 0, коли відсутнє пошкодження на -тій ділянки мережі, і 1 – коли є пошкодження. Задається кінцева множина перевірок, які мають два результати : негативний та позитивний. Множина повністю забезпечує можливість здійснювати пошук. Для визначення ваги (ціни) перевірки формалізується процес перевірки. Для стану перевірка полягає у виконанні ряду операцій, які пропонуються відображати у вигляді