Грабко Володимир Віталійович

УДК 621.316

МЕТОДИ І ПРИСТРОЇ ДЛЯ ТЕХНІЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ ТА АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ СИЛОВИМ ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯМ

Спеціальність 05.13.05 – Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Вінниця – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор
Мокін Борис Іванович,
Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри електромеханічних систем автоматизації

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Бардаченко Віталій Феодосійович,
Інститут кібернетики ім. В.М.Глушкова НАНУ, м.Київ, директор центру таймерних обчислювальних систем

доктор технічних наук, професор
Родькін Дмитро Йосипович,
Кременчуцький державний політехнічний університет, завідувач кафедри систем автоматичного управління і електропривода

доктор технічних наук, доцент
Мичуда Зиновій Романович,
Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри автоматики та телемеханіки

Провідна установа: | Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики” Міністерства промислової політики України (м. Київ), ДНВП “Автоматизовані інформаційні системи та технології”

Захист відбудеться " 28 " 04 2004 р. о 930 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий " 24 " 03 2004 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради |

Захарченко С.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. В умовах сучасного економічного розвитку нашої держави постає глобальне питання про продовження терміну роботи всього енергоємного обладнання в тому числі і електроенергетичного, незважаючи на вичерпання ним робочого ресурсу, особливо, якщо воно ще в задовільному стані і може попрацювати додатково. Тому не випадково ставиться питання про перехід від системи планових ремонтів до системи ремонтів по технічному стану. Але подальша експлуатація електрообладнання понад нормативний строк може призводити до непередбачуваного виходу з ладу з аварійними наслідками.

З метою запобігання аварійних ситуацій застосовуються різні методи і засоби діагностування обладнання і своєчасного виявлення небезпечних дефектів, більшість з яких базуються на підходах, сформульованих ще 30 – 40 років тому. Як показує досвід експлуатації, в сучасних умовах ці методи не завжди дозволяють визначити чи оцінити момент виходу обладнання з ладу або виявити небезпечні дефекти. Розробка нових методів, які дозволяють діагностувати електрообладнання в процесі його експлуатації за допомогою сучасних засобів автоматизації та прийняття рішень, і відповідних їм технічних засобів, що орієнтовані на визначення як дефектів так і залишкового ресурсу обладнання, створює можливість переходу до більш економічної і ефективної стратегії технічного обслуговування електрообладнання за його станом.

Процес діагностування високовольтного силового електрообладнання ускладнюється тим, що не просто визначити, а ще складніше виміряти характерні параметри кожного типу силового електрообладнання, за якими можна було б визначати ступінь спрацювання робочого ресурсу того чи іншого типу електрообладнання. Цей процес ускладнюється тими факторами, що силове електрообладнання працює під високою напругою та під дією потужних електромагнітних полів.

Крім того, в попередні роки дослідження в розрізі діагностування проводилось тільки по окремих видах силового електрообладнання, що також не спрощує можливість визначення технічного стану основного силового електрообладнання.

З іншої сторони активний розвиток економіки неможливий без застосування новітніх технологій, запровадження нової техніки тощо, які вимагають забезпечення паспортних режимів роботи. Тому постає питання про підвищення якості електропостачання споживачів електричної енергії. Враховуючи той факт, що за останні роки оновлення силової частини тракту електропостачання здійснювалось мало, то, враховуючи ослабленість ізоляції і суттєву відпрацьованість робочого ресурсу обладнання, при виході регульованих параметрів електроенергії за допустимі зони повернення їх необхідно здійснювати за коротші терміни.

Актуальною науково-прикладною проблемою, що розв’язується в дисертаційній роботі, є розроблення нових методів і засобів технічної діагностики та автоматичного керування силовим електрообладнанням з метою підвищення надійності і якості електропостачання споживачів електричної енергії.

Окремими складовими, що характеризують вказану проблему і не були розв’язані на день затвердження теми цієї дисертації, є:

- в методологічному аспекті – були відсутні методи діагностування в проекції на задачі автоматичного керування високовольтним силовим електрообладнанням, які враховували б специфіку роботи такого класу обладнання та вимоги часу;

- в математичному аспекті – були відсутні математичні моделі, які дозволяли б визначати робочий ресурс високовольтного силового електрообладнання з врахуванням опосередкованих підходів та здійснювати автоматичне керування високовольтним силовим обладнанням з метою підвищення якості та надійності електропостачання;

- в інженерно-технічному аспекті – була відсутня методологія інженерного синтезу пристроїв для діагностування та автоматичного керування високовольтним силовим електрообладнанням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота проводилась відповідно до наукового напрямку кафедри “Електромеханічні системи автоматизації” Вінницького національного технічного університету “Розробка математичних методів та моделей процесів, що протікають в енергетичних, електромеханічних та екологічних системах, синтез інформаційно-вимірювальних систем автоматичного і автоматизованого керування цими процесами” у ролі наукового керівника держбюджетних тем № 28-Д-154 “Розробка принципів створення та математичних моделей систем технічної діагностики основного обладнання електричних підстанцій напругою 6 – 110 кВ” (номер державної реєстрації 0196U007377), № 2901 “Розробка математичних моделей та інформаційно-вимірювальних систем для підвищення якості та надійності електропостачання” (номер державної реєстрації 0101U007204) та у ролі відповідального виконавця держбюджетної теми № 84-Д-196 “Розробка системи оптимізації робочих режимів та діагностування територіально відокремлених потужних електроприводів в умовах їх взаємовпливу через живлячу мережу” (номер державної реєстрації 0198U004497), що входила до координаційного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти України “Наукові основи удосконалення виробництва, передачі та використання електроенергії” (Наказ Міносвіти України № 37 від 13.02.1997 р.).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи спрямована на підвищення надійності і якості електропостачання шляхом розробки нових методів і засобів діагностування силового електрообладнання та автоматичного керування силовим електрообладнанням, особливістю якого є змінність параметрів.

Для досягнення цієї мети необхідно розв’язати такі задачі:

- проаналізувати існуючі методи і засоби діагностування силового електрообладнання та систематизувати відомі теоретичні підходи, які покладені в основу їх побудови;

- проаналізувати існуючі методи і засоби підвищення якості та надійності систем автоматичного керування електропостачанням споживачів електричної енергії та систематизувати відомі теоретичні підходи, які покладені в основу їх побудови;

- розробити нові методи діагностування силового електрообладнання;

- розробити математичні моделі для визначення залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання;

- розробити нові методи регулювання параметрів режиму в електричних мережах (ЕМ) для досягнення підвищеної якості напруги та надійності електропостачання споживачів електричної енергії;

- розробити математичні моделі законів регулювання параметрів режиму в ЕМ;

- розробити метод синтезу структур пристроїв технічної діагностики та автоматичного керування силовим електрообладнанням з використанням запропонованих математичних моделей;

- синтезувати структури пристроїв для визначення залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання;

- синтезувати структури регуляторів систем підвищення якості та надійності електропостачання споживачів електричної енергії;

- розробити алгоритми та функціональні схеми мікропроцесорних засобів визначення залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання, підвищення якості та надійності електропостачання споживачів електричної енергії.

Об’єктом дослідження в дисертаційній роботі є процеси діагностування технічного стану силового електрообладнання та автоматичного керування силовим електрообладнанням зі змінними параметрами.

Предметом дослідження є пристрої систем технічної діагностики та автоматичного керування силовим електрообладнанням, що забезпечують підвищену якість і надійність електропостачання, та методи їх синтезу.

Методи досліджень. При виконанні поставлених задач використовувались: теорія вимірювань, теорія ідентифікації, теорія автоматичного керування, математична логіка, математичний апарат секвенцій, чисельні методи розв’язку систем нелінійних диференціальних рівнянь, теорія нечітких множин, аналітичні можливості комп’ютерної алгебри, планування експериментів, комп’ютерне моделювання.

Наукова новизна основних результатів і положень, що виносяться на захист, полягає в подальшому розвитку теорії побудови математичних моделей і методів синтезу пристроїв систем діагностування та систем автоматичного керування силовим електрообладнанням для підвищення якості і надійності електропостачання споживачів електроенергії.

В роботі отримані такі нові наукові результати:

1. Вперше розроблені теоретичні засади діагностування високовольтного силового електрообладнання, які дозволяють шляхом вимірювання опосередкованих параметрів визначати залишковий робочий ресурс кожного із об’єктів діагностування. Запропоновані методи відрізняються від відомих використанням нових інформативних параметрів, чим підвищується точність у визначенні залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання.

2. Вперше розроблені придатні для розв’язання задачі діагностування математичні моделі високовольтних вимикачів (в тому числі і повітряних), високовольтних вводів, силових косинусних конденсаторів, розрядників та обмежувачів перенапруги. Вказані моделі характеризуються високою точністю визначення залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання. Доведено адекватність запропонованих математичних моделей.

3. Дістав подальший розвиток запропонований автором у кандидатській дисертації метод синтезу структур елементів і пристроїв діагностування та автоматичного керування силовим електрообладнанням із застосуванням математичного апарату секвенцій. На відміну від відомих, запропонований метод дозволяє отримувати мінімізовані структури безпосередньо з аналітичних виразів.

4. Дістали подальший розвиток теоретичні засади автоматичного керування силовим електрообладнанням з метою підвищення якості та надійності електропостачання споживачів електроенергії, які включають математичні закони регулювання об’єктами зі змінними параметрами. На відміну від відомих запропоновані вищезазначені закони регулювання дозволяють забезпечити підвищення одночасно і якості, і надійності електропостачання.

5. Дістали подальший розвиток методи оптимізації параметрів регуляторів систем автоматичного керування силовим електрообладнанням за критеріями мінімального відхилення регульованого параметра та мінімуму грошових втрат, внаслідок чого можна підвищити якість і надійність електропостачання. Вказані методи на відміну від відомих дозволяють отримувати оптимальні параметри регуляторів для роботи систем, які одночасно підвищують і якість, і надійність електропостачання.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

- створена методика побудови ресурсних характеристик високовольтної комутаційної апаратури, що дозволяє визначати її залишковий робочий ресурс з підвищеною точністю;

- запропоновані математичні моделі діагностування технічного стану силового електрообладнання дозволяють через опосередковані параметри визначати з достатньою експлуатаційною точністю момент вичерпання робочого ресурсу розглядуваних типів електрообладнання;

- створено новий ряд структур засобів для технічної діагностики силового високовольтного електрообладнання, що дозволяє визначати термін вичерпання робочого ресурсу такого електрообладнання з високою точністю;

- практичне впровадження розроблених законів регулювання параметрів режиму силового електрообладнання дозволяє підвищити і якість, і надійність електропостачання;

- створено новий ряд структур регуляторів, що дозволяють в системах регулювання напруги та компенсації ємнісних струмів підвищити якість і надійність електропостачання;

- розроблено методику знаходження оптимальних параметрів регуляторів систем регулювання напруги та компенсації ємнісних струмів в залежності від умов експлуатації;

- створено експертну систему для діагностування високовольтних вводів з використанням теорії нечітких множин, яка дозволяє приймати рішення про технічний стан вводів у випадку, коли традиційні методи діагностування не дають відповіді;

- застосування запропонованих пристроїв дозволяє підвищити безпеку експлуатації ЕМ, а також підвищити якість і надійність електропостачання.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати досліджень, що проводились протягом 1991 – 2003 років у відповідності з тематичними планами проведення НДДКР, затвердженими Міністерством освіти і науки України у Вінницькому національному технічному університеті.

Отримані наукові результати впроваджені на підприємствах КДГМК “Криворіжсталь”(м. Кривий Ріг), Кам’янець-Подільськтеплокомуненерго (м. Кам’янець-Подільський), Південно-Західна електроенергетична система, яка є відокремленою структурною одиницею Національної енергетичної компанії “Укренерго” (м. Вінниця), ВАТ ЕК “Хмельницькобленерго” (м. Хмельницький), ВАТ АК “Вінницяобленерго” (м. Вінниця).

Використані у розробках пристрої захищені авторськими свідоцтвами СРСР і патентами України.

Впровадження результатів дисертаційної роботи підтверджується відповідними актами.

Результати роботи також використовуються при підготовці інженерних кадрів за спеціальностями 7.092203 “Електромеханічні системи автоматизації та електропривод” і 7.090602 “Електричні системи та мережі”. Опубліковані автором у співавторстві монографії “Математические модели и информационно-измерительные системы для технической диагностики трансформаторных вводов”, “Моделі та системи технічної діагностики високовольтних вимикачів” і “Методи та інформаційно-вимірювальні системи для технічної діагностики силових косинусних конденсаторів” використовуються для підготовки магістрів та аспірантів за напрямками електротехніки та електромеханіки.

Апробація результатів. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідалися і обговорювалися на 39 конгресах, конференціях, семінарах, у тому числі на трьох всесвітніх конгресах ІМЕКО, на 26 міжнародних, одній всесоюзній, 8 українських конференціях, одному міжнародному семінарі. Крім того, починаючи з 1991 року, результати досліджень доповідались на щорічних регіональних конференціях та на щорічних семінарах вінницької секції Наукової Ради НАН України по проблемі “Кібернетика”.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 81 друковану працю, у тому числі три монографії, 26 статей у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 27 статей у науково-технічних журналах та збірниках праць науково-технічних конференцій, 24 авторських свідоцтв СРСР та патентів на винаходи України, одне свідоцтво державної реєстрації прав автора на твір (програмний продукт).

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані дисертантом самостійно. Роботи по моделюванню, синтезу структур, експериментальному дослідженню та впровадженню розроблених засобів діагностування і автоматичного керування виконувались разом із співавторами, прізвища яких наведені згідно до бібліографічного списку. Із робіт, що виконувались у співавторстві, використовуються результати, отримані особисто пошукувачем.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 8 розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел і 12 додатків. Загальний обсяг дисертації - 384 сторінки, з яких основний зміст викладено на 293 сторінках друкованого тексту та в тому числі містить 87 рисунків і 22 таблиць. Список використаних джерел складається з 464 найменувань на 50 сторінках. Додатки на 41 сторінці містять результати моделювання, фрагменти програмного забезпечення та акти впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, зазначено зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Вказано мету та задачі досліджень. Сформульовано наукову новизну та положення, що виносяться на захист. Розглянуто практичне значення та впровадження одержаних результатів. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації.

Перший розділ присвячено аналізу існуючих методів і засобів для діагностування та автоматичного керування високовольтним силовим електрообладнанням. Обґрунтовано виділені основні одиниці силового електрообладнання, а саме: високовольтні вимикачі (в тому числі і повітряні), високовольтні вводи, силові статичні конденсатори, розрядники та обмежувачі перенапруги, які забезпечують надійність електропостачання.

Встановлено, що існуючі методи і засоби діагностування силового електрообладнання придатні лише для періодичного визначення технічного стану того чи іншого типу електрообладнання. В переважній більшості кожен із відомих методів передбачає виведення обладнання з роботи з метою встановлення його технічного стану. Для визначення стану тих чи інших параметрів, по значеннях яких приймається висновок про технічний стан, в переважній більшості використовується складне лабораторне обладнання, або обладнання, що використовується стаціонарно в розподільчому пристрої електростанції або підстанції. Характерним є те, що жоден із типів застосовуваного обладнання не дозволяє зробити висновок про величину залишкового робочого ресурсу кожного типу силового електрообладнання. В кращому випадку визначаються значення окремих параметрів, по яких і робиться висновок про можливість продовження або припинення роботи.

Показано також, що існуючі методи і засоби для підвищення якості електропостачання не дозволяють розв’язувати покладену на них задачу, враховуючи вимоги часу. Основною причиною неефективного використання систем регулювання напруги є відсутність відповідних методів регулювання, які враховують сучасний стан електрообладнання, та обережність персоналу при експлуатації силових трансформаторів з пристроями регулювання під навантаженням (РПН), які мають невисоку надійність роботи і вихід з ладу яких призводить до значних матеріальних збитків.

Системи компенсації ємнісних струмів (КЄС) теж не в повній мірі задовольняють вимогам часу до процесу КЄС, оскільки в переважній більшості кабельні лінії мають ослаблену ізоляцію і робота цих ліній на протязі тривалого часу в некомпенсованому режимі призводить до виникнення в них пошкоджень.

На основі виконаного аналізу визначено, що науково-прикладна проблема, яка поставлена у дисертаційній роботі, вимагає вирішення питань у напрямку розробки методів та засобів для неперервного діагностування та автоматичного керування силовим електрообладнанням, особливістю якого є змінність параметрів.

Обґрунтована необхідність пошуку нових рішень в області досліджень.

У другому розділі розроблені методи діагностування та математичні моделі основних об’єктів силового високовольтного електрообладнання, а саме: високовольтних вимикачів (в тому числі і повітряних), високовольтних вводів, силових косинусних конденсаторів, розрядників та обмежувачів перенапруги. Створені методи використовують опосередковані параметри для визначення технічного стану силового електрообладнання. Запропоновані моделі придатні для автоматизації процесу діагностування вказаних електроенергетичних об’єктів.

Діагностування високовольтних вимикачів запропоновано здійснювати за математичною моделлю з використанням ресурсної характеристики, яка для повітряних високовольтних вимикачів (ПВВ) являє собою залежність значення кількості комутацій n від значення струму в момент комутації I та тиску стисненого повітря P (n= f (I,P)). Для залишкового робочого ресурсу ПВВ ця модель набуває вигляду

(1)

де nн – кількість комутацій, яку може здійснити вимикач при номінальному робочому струмі; rн - ресурс вимикача, що спрацьовується під час однієї комутації номінального робочого струму вимикача; rij – ресурс, який спрацьовується за одну комутацію при i-тому значенні струму комутації та j-тому значенні тиску стисненого повітря; mij – кількість комутацій i-того значення струму комутації при j-тому значенні тиску стисненого повітря; X1 і X2 – загальна попередньо невідома кількість комутацій, яку може здійснити ПВВ до повного спрацювання робочого ресурсу при певних значеннях тиску стисненого повітря і струмах комутації відповідно; X3 – загальна попередньо невідома кількість комутацій mq, яку може здійснити ПВВ при струмах комутації, що не перевищують значення номінального робочого. Очевидно, що загальна кількість комутацій X1, X2 і X3 не може перевищувати значення, що відповідає повному робочому ресурсу ПВВ, який кількісно заданий числом nн.

Підкреслимо, що коли з виразу (1) вилучити j-ті складові, які відповідають параметру математичної моделі – тиску стисненого повітря, то можна отримати однопараметричну модель для визначення залишкового робочого ресурсу вимикача, ресурсна характеристика якого має вигляд n = f (I) і яка була досліджена в кандидатській дисертації автора.

Похибка у визначенні залишкового робочого ресурсу вимикачів за моделлю (1) не перевищує однієї комутації номінального робочого струму.

Слід зазначити, що “прив’язку” у визначенні залишкового ресурсу вимикача за моделлю (1) можна здійснити для будь-якого значення струму комутації. Запропонований підхід можна застосувати і для оцінки комутаційного ресурсу будь-якого комутаційного апарату, для якого ресурсна характеристика є відомою або її можна побудувати у відповідності до запропонованого у роботі підходу.

Для діагностування високовольтних вводів силового електрообладнання в роботі синтезовані математичні моделі, згідно з якими визначення залишкового робочого ресурсу здійснюється по рівню вологовмісту, кількості осадку на внутрішніх поверхнях вводів та рівню часткових розрядів (ЧР) в ізоляції у відповідності із запропонованими методами.

Рівень вологовмісту олієнаповнених вводів негерметичної конструкції з відомою характеристикою ізоляції визначається згідно математичної моделі, яка передбачає вимірювання трьох значень tgi, () ізоляції при трьох різних значеннях температури олії Т1, Т2, Т3 (не менших 30С) у вводах з наступним обчисленням коефіцієнтів а і b за виразами (2) -

(2)

Значення вологовмісту знаходиться з моделей

(3)

(4)

після підстановки в них значень коефіцієнтів, отриманих з (2). Очевидно, що з усіх коренів рівнянь (3) і (4) розв’язку задачі буде відповідати лише той корінь, що знаходиться як середнє арифметичне близьких коренів в необхідному діапазоні значень параметра . Зазначимо, що в запропонованій математичні моделі u і v - значення масштабних коефіцієнтів відомої характеристики ізоляції вводів.

Для діагностування олієнаповнених герметичних вводів застосовується підхід, який передбачає визначення кількості осадку, що утворюється на внутрішній поверхні нижньої фарфорової покришки ввода під дією температури протягом тривалого часу експлуатації. Математичну модель, що відповідає масі m утворюваного осадку, знайдено у вигляді

(5)

(6)

де a і b – коефіцієнти, що залежать від типу олії, групового складу олій і типу вводів; Ti – поточне значення температури; T0 =70°С- температура, при досягненні якої у вводі починається процес утворення осадка; k - коефіцієнт, що залежить від співвідношення поверхонь і теплових опорів ділянок ввода, частина якого занурена в олію, а частина знаходиться в повітрі; Тнав - температура навколишнього середовища; Тв.п.о. - температура верхніх прошарків олії в баку об’єкта діагностування; ti - час, протягом якого температура олії у вводі змінюється незначно, коливаючись навколо деякої середньої температури близько 1-2С.

Для визначення терміну служби вводів із паперово-олійною ізоляцією силового електрообладнання під дією ЧР отримана математична модель, якою враховується рівень ЧР опосередковано через концентрацію розчинених в олії газів Cг(t) у вигляді

(7)

де - питоме газовиділення; Uп - напруга появи початкових ЧР; Vо.н - об’єм олії у вводі в номінальному режимі роботи; U(t) - прикладена до ізоляції напруга; - температурний коефіцієнт об'ємного розширення олії; Tн - температура олії у вводі в номінальному режимі роботи; Аi - сталі коефіцієнти, що залежать від ізоляційної конструкції вводів; [0, t] – інтервал спостереження.

Діагностування силових статичних конденсаторів здійснюється у відповідності до запропонованих методів за тепловим та електричним старінням.

Математичну модель для визначення залишкового робочого ресурсу силових статичних конденсаторів за тепловим старінням під дією несинусоїдальної напруги отримано у вигляді

(8)

де _номінальний робочий ресурс конденсатора; _оціночне значення відпрацьованого ресурсу конденсатора з моменту вводу в експлуатацію до моменту встановлення системи діагностування; 0 _строк служби силового косинусного конденсатора при номінальній робочій температурі; f – частота напруги в мережі; U _напруга на конденсаторі; С і tg _ємність і тангенс кута втрат конденсатора; _порядок гармоніки напруги мережі; U* _напруга -ої гармоніки відносно номінальної; n _кількість гармонік спектру напруги, що враховуються; R т.в. ,R т.з. – внутрішній і зовнішній теплові опори конденсатора; т – теплова стала часу конденсатора; нав - температура навколишнього середовища; ном - номінальне значення температури конденсатора при синусоїдальній напрузі; t – час спостереження, на протязі якого температура перегріву конденсатора не змінюється.

Діагностування силових статичних конденсаторів під дією ЧР здійснюється аналогічним чином, як і для високовольтних вводів, з врахуванням конструктивних особливостей конденсаторів по концентрації розчинених в олії газів Сг. Відповідна математична модель має вигляд

(9)

де Vп - об’єм паперової ізоляції; - коефіцієнт просочування паперу; Vб – об’єм олії поза паперовою ізоляцією; Аi - сталі коефіцієнти, що залежать від структури та конструкції ізоляції силових конденсаторів; U(t) - прикладена до ізоляції напруга; - питоме газовиділення; Uп - напруга виникнення початкових ЧР.

В роботі розглянуто також питання діагностування силових конденсаторів, які реалізовані в трифазному виконанні і з’єднані по схемі трикутника. Обґрунтовано, що для їх діагностування необхідно застосовувати метод двох ватметрів з вимірюванням спектрів струму та напруги в темпі процесу.

Для діагностування розрядників та обмежувачів перенапруги в роботі запропоновано метод, який передбачає вимірювання струму, що протікає через їх нелінійні елементи, в момент комутації. Математичну модель, що відображає процес витрачання робочого ресурсу, отримано у вигляді

(10)

де nmin – кількість комутацій мінімального значення струму, що протікає через об’єкт діагностування; rmin – витрачання комутаційного ресурсу за одну комутацію мінімального значення струму; ri - витрачання комутаційного ресурсу за одну комутацію і-го значення струму; mi - кількість комутацій i-го значення струму; N – загальна кількість комутацій, яку може здійснити розрядник або обмежувач перенапруги до моменту вичерпання комутаційного ресурсу.

Похибка у визначенні залишкового робочого ресурсу за моделлю (10) не перевищує одну комутацію мінімального вибраного значення струму комутації.

Доведено адекватність запропонованих математичних моделей. На конкретних прикладах показано, що похибка у визначенні спрацювання робочого ресурсу об’єктів діагностування опосередкованими методами незначна і теоретичні та практичні результати майже співпадають.

У третьому розділі розроблені методи підвищення якості і надійності електропостачання та математичні моделі законів регулювання силового електрообладнання зі змінним коефіцієнтом передачі, які призначені для реалізації систем регулювання з метою покращення якості напруги та надійності електропостачання споживачів електроенергії.

Відому математичну модель закону керування силовим трансформатором з пристроєм РПН (11), розроблену Б.І. Мокіним, запропоновано доповнити умовою (12), яка передбачає перемикання відгалужень трансформатора у випадку, коли регульований параметр – напруга – має ненормоване значення і для її повернення в зону нечутливості за традиційними підходами потрібен тривалий час.

У формулах (11) та (12): Кm – коефіцієнт трансформації трансформатора з пристроєм РПН; u(t) – регулювальна дія, яка формується регулятором; uн.з, uв.з – нижня і верхня границі його зони нечутливості, які задаються з умов надійності; Uу – уставка регулятора, яка відповідає номінальній напрузі Uном на шинах підстанції; U(t) – поточне значення цієї напруги; Imin– струм, що знімається з шин підстанції в режимі мінімуму навантаження; I(t) – поточне значення цього струму; Uн.н – напруга на шинах низької напруги трансформатора; Ui – напруга, що індукується в обмотці високої напруги трансформатора при підключенні і-го відгалуження; К1 – коефіцієнт передачі блоку, що формує регулювальну дію, яка характеризує чутливість регулятора;

(11)

К2 – коефіцієнт, який визначає нахил характеристики зустрічного регулювання; з – час затримки сигналу;– похідна обвідної контрольованої напруги;

(12)

U = Uв.з – Uном = Uном – Uн.з; Uв.з, Uн.з – напруга електричної мережі, яка відповідає верхній і нижній границям зони нечутливості регулятора, що задається з умов надійності; uв.з1, uн.з1 – верхня і нижня границі зони нечутливості, обумовленої якістю регулювання напруги; tрег – час регулювання, на протязі якого значення напруги повертається в зону нечутливості, обумовлену надійністю роботи системи.

В роботі показано, що коли умову (12) математичної моделі (11) доповнити виразом З1 ? З2, де З1 – затрати, пов’язані зі збитками, обумовленими неякісним електропостачанням споживачів, а З2 – затрати, що виникли в зв’язку з виходом з ладу трансформатора з пристроєм РПН, то це дозволить зменшити кількість перемикань пристрою РПН та збільшити надійність його роботи. Надійність роботи системи регулювання напруги в цілому при цьому не знижується, оскільки ту ж кількість відгалужень пристрою РПН треба перемикати, щоб при зустрічному регулюванні напруга ввійшла в допустимі межі.

Також запропоновано метод та математичну модель, що передбачають одночасне підвищення і якості, і надійності електропостачання споживачів електричної енергії за рахунок дворівневого регулювання напруги за допомогою трансформаторів нижнього рівня, споряджених електронними швидкодіючими пристроями РПН, у споживачів та регулювання за допомогою трансформатора з традиційним пристроєм РПН районної підстанції, команда на перемикання відгалуження якому надається тільки у випадку, коли більшість систем регулювання напруги нижнього рівня вичерпали в одному напрямку свій діапазон регулювання.

(13)де Pном j – номінальна потужність j-го трансформатора нижнього рівня; n – кількість трансформаторів нижнього рівня; mнj,вj – коефіцієнти, які характеризують вичерпання діапазону регулювання j-м трансформатором нижнього рівня при регулюванні напруги в сторону її збільшення або зменшення відповідно.

Коефіцієнти

(14)

де II(t) – поточне значення напруги на шинах низької напруги трансформатора нижнього рівня; uIIн.з,IIв.з – напруги, що відповідають нижній і верхній границям зони нечутливості трансформатора нижнього рівня; IIз – час затримки при виході сигналу регулятора нижнього рівня за зону регулювання.

Для КЄС з метою підвищення надійності роботи ЕМ в роботі запропоновано метод, який передбачає прискорене налагодження реактора для гасіння дуги (РГД) в квазірезонанс з ЕМ у випадку, коли керування цим реактором здійснюється за фазовим принципом або з використанням цифрової моделі (ЦМ) ЕМ. Математичні моделі, які використані в зазначеному методі, мають вигляд

(15)

де оп – фаза опорної напруги; зм – фаза напруги зміщення нейтралі; – різниця фаз, що несе інформацію про відхилення від компенсації; U - сигнал, що характеризує відхилення; f1 і f2 – функції, що зв’язують відповідні параметри; min – допустиме відхилення від повної компенсації; tрег – час переходу від одного усталеного стану до іншого; tmax – найбільший можливий час переходу з одного стану в інший за умови працездатності тракту регулювання, та

(16)

де ILРГД – індуктивний струм РГД, який залежить від станів конденсаторів Cj (підключені до РГД чи відключені від нього); m – загальна кількість конденсаторів, що з’єднані з РГД; ICЕМ – ємнісний струм ЕМ, який визначається попередньо і залежить від станів високовольтних вимикачів (ввімкнені чи вимкнені) розподільчого пристрою електростанції чи підстанції; n – загальна кількість вимикачів розподільчого пристрою, якими здійснюється комутація кабельних ліній ЕМ; ?I – різниця струмів, яка вказує на відхилення від компенсації; f1 і f2 – функції, що зв’язують відповідні параметри; Imin – допустиме відхилення від повної компенсації; tрег – час переходу від одного усталеного стану до іншого; tmax – найбільший можливий час переходу з одного стану в інший за умови працездатності тракту регулювання.

Слід зазначити, що запропоновані математичні моделі орієнтовані на КЄС ЕМ з використанням модернізованого РГД типу ЗРОМ, в якому індуктивний струм змінюється за рахунок підключення до його вторинної додаткової обмотки конденсаторів різної ємності, керування якими здійснюється відповідним регулятором.

Очевидно, що запропоновані математичні моделі передбачають діагностування регулювального тракту з метою підвищення надійності процесу КЄС, налагодження регуляторів яких здійснюється в нормальному режимі роботи ЕМ.

Для КЄС в ЕМ розімкнутої конфігурації в роботі запропонована ЦМ ЕМ у вигляді матриці, яка пов’язує значення ємнісного струму ЕМ в залежності від кількості ввімкнених вимикачів, а, отже, і ввімкнених ліній, зі значенням індуктивного струму РГД, який формується в залежності від кількості конденсаторів, що підключені до його вторинної обмотки.

Налагодження РГД з ЕМ для КЄС здійснюється згідно умови

(17)

а керувальна дія визначається числом

(18)

яке після округлення і перетворення в двійковий код відповідає стовпчику матриці ЦМ ЕМ. Зазначимо, що у виразах (17) та (18) ILmax – максимальний індуктивний струм РГД; - ємнісний струм l-ї лінії ЕМ; qlj – ознака стану l-ї лінії (ввімкнена чи вимкнена) в j-й момент часу; n – кількість ліній ЕМ; k – коефіцієнт трансформації РГД; yij – бінарний сигнал керування i-м каналом РГД в j-й момент часу; ici – ємнісний струм i-го конденсатора, підключеного до РГД; m – кількість каналів керування РГД; z2 - значення кроку дискретизації зміни індуктивного струму РГД по додатковій обмотці.

Обчисливши таким чином всі відповідні значення, що формують керувальну дію РГД для кожного стану вимикачів, знаходять матрицю параметрів ЦМ ЕМ.

У четвертому розділі синтезовані структури пристроїв для діагностування вищезазначеного силового електрообладнання. Показано, що не існує формальних підходів, які б дозволяли синтезувати структури пристроїв, сигнали в які поступають по аналогових вимірювальних трактах. Очевидно, що кожен пристрій повинен мати необхідну кількість сенсорів та нормуючих первинних перетворювачів, які забезпечують вимірювання необхідних параметрів об’єкта діагностування, і обчислювач, який реалізує кожну відповідну математичну модель.

Обґрунтовано застосування математичного апарату секвенцій для побудови обчислювачів ресурсу згідно математичних моделей об’єктів діагностування і запропоновано до використання метод синтезу структур пристроїв з використанням цього математичного апарату.

В роботі синтезовано пристрої для діагностування ПВВ, групи високовольтних вимикачів за однопараметричною математичною моделлю, пристрої для діагностування високовольтних вводів за кількістю осадку на внутрішній поверхні вводів та за рівнем ЧР в ізоляції, пристрої для діагностування силових статичних конденсаторів за тепловим та електричним старінням, в тому числі для конденсаторів в однофазному та трифазному виконанні, пристрій для діагностування розрядників та ОПН.

Як приклад, покажемо процес синтезу пристрою для діагностування ПВВ. Для такого вимикача на основі формального опису процесу діагностування складається граф функціонування обчислювача ресурсу, що зображений на рис.1.

Рис. 1. Граф функціонування обчислювача ресурсу пристрою діагностування ПВВ

На підставі цього графа складається система секвенцій, яка після застосування правил мінімізації перетворюється до вигляду

(19)

Введені позначення відповідають: I1 та I2 - перше та друге значення струму, що перевищує номінальний робочий; P1 та P2 - перше та друге значення тиску стисненого повітря; N - сигнал, який свідчить про здійснення комутації ПВВ; Т1 і 1 - тригер та часова затримка для задавання імпульсів, які відповідають спрацюванню робочого ресурсу ПВВ при комутаціях струмів, значення яких не перевищують номінальний робочий; Т2, Т3, Т4 і Т5 - тригери фіксації першого і другого значень струмів, які перевищують номінальний робочий, та фіксації першого і другого значень тиску стисненого повітря відповідно; Т6 - тригер з двома затримками 2 і 3 сигналу, що моделюють генератор імпульсів; Т7, Т8, Т9 і Т10 - тригери врахування вагових коефіцієнтів; Т11 - тригер формування сигналу закінчення циклу; 4 - затримка сигналу, яка запобігає помилковим спрацьовуванням пристрою; R - сигнал переходу пристрою в початкове положення; Y1 та Y2 - вихідні сигнали пристрою, якими враховується спрацювання робочого ресурсу ПВВ при струмах, менших та більших номінального робочого, відповідно; S0 - S28 – стани обчислювача ресурсу пристрою, що відповідають формальному опису процесу діагностування ПВВ.

За отриманим секвенціальним описом (19) синтезована структура пристрою для діагностування ПВВ, яка з врахуванням промислової елементної бази втілена в схему, показану на рис. 2.

Рис. 2. Структурна схема пристрою діагностування ПВВ

На схемі: 1 – сенсор струму; 2,3 – компаратори; 4,5 – тригери; 6,7 – елементи ВИКЛЮЧНЕ АБО; 8 – сенсор тиску стисненого повітря; 9,10 – компаратори; 11,12 – елементи І; 13,14 – тригери; 15,16 - елементи ВИКЛЮЧНЕ АБО; 17 – елемент НІ; 18 – елемент І; 19 – сенсор комутації; 20 – диференціювальний елемент; 21 – елемент АБО; 22 – ресурсний лічильник імпульсів; 23 – генератор імпульсів; 24 – елемент І; 25 – блок установки нуля; 26 – формувач сигналу; 27 – елемент АБО; 28 – блок затримки сигналу; 29 – лічильник імпульсів; 30,31,32 – елементи НІ; 33,34,35,36 – елементи І; 37 – елемент АБО.

Аналогічним чином синтезовано пристрій для діагностування високовольтних вводів по рівню ЧР, структурна схема якого наведена на рис. 3.

На схемі: 1 - сенсор температури верхніх прошарків олії; 2 - сенсор температури навколишнього повітря; 3,4 - перетворювачі температури в постійну напругу; 5 - аналоговий суматор; 6 - функціональний перетворювач; 7 - сенсор напруги; 8 - перетворювач змінної напруги в постійну; 9 – пристрій вибірки-зберігання аналогових сигналів; 10 - 14 - функціональні перетворювачі; 15 - 19 – масштабуючі підсилювачі; 20 - аналоговий суматор; 21 - блок множення; 22 - АЦП; 23, 24 - регістри; 25 - цифровий суматор; 26 - блок задання ресурсу по швидкості зміни концентрації; 27 - цифровий суматор; 28 - блок задання ресурсу по концентрації; 29 - регістр; 30, 31 - цифрові компаратори; 32 - регістр; 33 - логічний елемент І; 34, 36 - індикатори; 35 - логічний елемент АБО; 37 - генератор імпульсів; 38 - лічильник імпульсів; 39 - дешифратор; 40 - блок установки нуля.

Обмежений обсяг автореферату не дає змоги показати всі секвенціальні описи та пристрої, що синтезовані в роботі у відповідності до запропонованих математичних моделей.

В п’ятому розділі з використанням математичного апарату секвенцій та на основі розроблених математичних моделей синтезовані структури регуляторів систем автоматичного керування силовим електрообладнанням з метою підвищення якості та надійності електропостачання споживачів електроенергії.

Для підвищення якості напруги в роботі згідно математичної моделі закону керування, що дозволяє з мінімальною часовою затримкою при виході напруги за межі допустимих значень здійснювати її повернення в зону нечутливості, запропонована реалізація регулятора, яка є доповненням до структури регулятора АРКТ-1 і яка синтезована у відповідності до мінімізованої системи секвенцій

(20)

в якій прийняті такі позначення: y1 –4 - вихідні змінні, які відповідають положенню пристрою РПН на відповідному відгалуженні силового трансформатора; Т1  Т4 – тригери запам’ятовування станів системи, що відповідають вихідним змінним; Т5 і Т6 - тригери запам'ятовування знака відхилення напруги; 1 – час, обумовлений відстроюванням від короткочасних стрибків напруги в ЕМ; 2 – час, обумовлений закінченням перехідних процесів в ЕМ при комутації відгалужень трансформатора пристроєм РПН.

Структурна схема регулятора для керування силовим трансформатором з пристроєм РПН, яка реалізує (20), представлена на рис. 4. На схемі: 1 – перетворювач змінної напруги в постійну; 2,  – тригер Шмідта; 4, ,  – логічний елемент АБО; 5,  – блок затримки сигналу; 6,  – логічний елемент І; 8 – логічний елемент НІ; 10 – регулятор АРКТ-1; 13 – пристрій РПН силового трансформатора.

Аналогічним чином синтезована структурна схема блока прийняття рішення (БПР) дворівневої системи регулювання напруги, основною задачею якого є формування сигналу для регулятора АРКТ-1 у випадку, коли більшість трансформаторів нижнього рівня вичерпали свій можливий діапазон регулювання напруги в одному напрямку регулювання. Одна із реалізацій каналу БПР зображена на рис. 5. На схемі: 1 – регістр зсуву; 2 – одновібратор з прямим динамічним входом; 3 – керований генератор імпульсів; 4 – елемент І;  – лічильник імпульсів.

Слід зазначити, що сигнали V1, V2 та V3 подаються в БПР з регуляторів нижнього рівня, а сигнал Н формується в