ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Мінченко Андрій Анатолійович

УДК 621.314.224

УДОСКОНАЛЮВАННЯ ДІАГНОСТИКИ
ВИСОКОВОЛЬТНОЇ ІЗОЛЯЦІЇ КОНДЕНСАТОРНОГО ТИПУ НА ОСНОВІ ВРАХУВАННЯ ПРОСТОРОВО
РОЗПОДІЛЕНИХ ЄМНІСНИХ СТРУМІВ

Спеціальність 05.09.13 – техніка сильних
електричних та магнітних полів

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня
кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі передачі електричної енергії Національного
технічного університету “Харківський політехнічний інститут” МОН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Бондаренко Володимир Омелянович,

Національний технічний університет “ХПІ”,

завідувач кафедри передачі електричної енергії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Рудаков Валерій Васильович,

Національний технічний університет “ХПІ”,

завідувач кафедри інженерної електрофізики;

доктор технічних наук, професор

Лежнюк Петро Дем'янович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри електричних станцій і систем.

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” (кафедра техніки та електрофізики високих напруг) МОН України, м. Київ.

Захист відбудеться 06.04. 2006 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .050.08 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків,
вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного
університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий 01.03. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д .050.08, к.т.н., доц. Марков В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Безперервна діагностика стану ізоляції конденсаторного типу (ІКТ) високовольтних вводів (ВВ) і опорних трансформаторів струму (ТС) (об'єктів контролю) під робочою напругою надає можливість виявити дефекти в ізоляції на ранніх стадіях їх виникнення (дефекти, що розвиваються) та запобігти раптовим відмовам електроенергетичних систем (ЕЕС) в наслідок пошкодження вказаного вище маслонаповненого енергетичного обладнання високої напруги, які супроводжуються економічним збитком.

Існуючі методи безперервного контролю і пристрої для їх реалізації не в змозі забезпечити необхідну міру достовірності контролю для надійного виявлення дефектів, що розвиваються, в ІКТ. Сучасній тенденції відповідає реалізація технічних рішень, направлених на підвищення достовірності контролю ізоляції, на основі промислових ЕОМ, оскільки при цьому можливий якнайповніший облік тих чинників, які впливають на зміну діагностичних ознак. Звідси – необхідність розробки відповідних методів безперервного контролю ІКТ під робочою напругою розподільної установки (РУ).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі передачі електричної енергії НТУ “ХПІ” в рамках науково-дослідної роботи по держбюджетній темі “Розробка системи безперервного контролю внутрішньої електричної ізоляції обладнання об'єктів електричних систем” (№ ДР U001673) та по госпдоговірній темі “Совершенствование устройства для непрерывного контроля внутренней электрической изоляции конденсаторного типа путем повышения чувствительности за счет учета тока влияния” (Північна ЕЕС НЕК “Укренерго”, м. Харків), в яких здобувач був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є розробка методу безперервного контролю електричних параметрів внутрішньої ізоляції конденсаторного типу в маслонаповненому енергетичному обладнанні високої напруги, який забезпечує підвищення достовірності контролю за рахунок врахування впливу електричного поля, створеного робочою напругою електроустановки, і пристрою для реалізації методу на основі використання сучасної елементної бази.

Поставлена в роботі мета вимагає вирішення наступних задач:

-

-

-

-

-

Об'єктом дослідження є електричне поле, створене робочою напругою електроустановки, що впливає на вимірювання електричних параметрів внутрішньої ізоляції конденсаторного типу, які є діагностичними ознаками при безперервному контролі під робочою напругою.

Предметом дослідження є струм впливу, що протікає через вимірювальний елемент схеми контролю електричних параметрів внутрішньої ізоляції конденсаторного типу по ємнісних зв'язках об'єкту контролю з елементами розподільної установки, і врахування цього струму при безперервному контролі під робочою напругою.

Методи дослідження. Рішення поставлених в дисертаційній роботі задач досягнуте на базі фундаментальних положень теорії електромагнітного поля та методів:

-

-

-

Всі основні розрахунки виконані за оригінальною програмою “ICComp” (розробка автора дисертаційної роботи) на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів. Проведені дослідження необхідності врахування струму впливу для підвищення достовірності контролю ІКТ показали, що пооб'єктний контроль під робочою напругою ізоляції вимірювальних ТС 330 кВ може проводитися без урахування цього струму; для ТС 750 кВ і ВВ 330 кВ трифазного силового автотрансформатору (АТ) достовірність такого контролю ізоляції залежить від врахування зміни струму впливу.

Дослідний зразок розробленого пристрою безперервного контролю електричних параметрів ІКТ в маслонаповненому високовольтному обладнанні, як елемент АСК ТП підстанції (ПС), впроваджено на ПС “Артема –  кВ” Північної ЕЕС НЕК “Укренерго” для діагностики ВВ 330 і 110 кВ силового АТ.

Розроблений пристрій підготовлений до розширеного впровадження в ЕЕС НЕК “Укренерго” і не потребує при цьому значних витрат. Використання пристрою для діагностики ізоляції ВВ 110 кВ блокового трансформатору 1Т Харківської ТЕЦ-5 може служити прикладом такого впровадження.

Одержане в дисертаційній роботі рішення задачі розрахунку струму впливу в колі заземлення вимірювального елементу схеми контролю ІКТ у вигляді алгоритму розрахунку використано в навчальному процесі на кафедрі передачі електричної енергії НТУ “ХПІ”.

Достовірність наукових положень дисертаційної роботи обумовлена коректним використанням теоретичних основ електротехніки, теорії імовірності і чисельних методів, обгрунтованістю прийнятих допущень і задовільним збігом результатів розрахунків з експериментальними даними і даними, що отримані іншими авторами.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення і результати, приведені в дисертаційній роботі, одержані здобувачем особисто, серед них:

-

-

-

-

-

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на VII міжнародній науково-технічній конференції “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье” (Харків, 1999 р.); на 15-й Російській науково-технічній конференції “Неразрушающий контроль и диагностика” (Москва, 1999 р.); на VIII міжнародній науково-технічній конференції “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье” (Харків, 2000 р.); на II-й міжнародній науково-технічній конференції “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем – 2002” (Донецьк, 2002 р.); на Третій Промисловій конференції з міжнародною участю і виставкою “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (п. Славське, Карпати, 2003 р.); на розширеному засіданні кафедри передачі електричної енергії НТУ “ХПІ” (Харків, 2004 р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 14 наукових роботах, з яких 9 у фахових наукових виданнях України, відзначених ВАК.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний об'єм дисертації складає 277 сторінок, у тому числі 60 малюнків на 57 сторінках, 12 таблиць на 12 сторінках, список використаних джерел з 87 найменувань на 11 сторінках і 4 додатки на 27 сторінках. Основний зміст дисертації на 169 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень і розробок, визначені об'єкт і предмет досліджень, встановлені методи досліджень, показані наукова новизна і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз методів контролю електричних параметрів ІКТ в маслонаповненому високовольтному обладнанні під робочою напругою і їх достовірності. Відзначено, що положення ГКД .20.302-2002 допускають контроль вказаної ізоляції по одному параметру – зміні модуля повної провідності , а граничні значення вказаного параметра при безперервному контролі встановлені рівними для класів напруги 330-500 кВ і 750 кВ відповідно 2,0% і 1,5%. Ці граничні значення встановлені на підставі того, що ознакою дефекту, що розвивається, в ІКТ для вказаних класів напруги є зміна , яка дорівнює 0,5-1,5% і 0,5-1,0% відповідно. Це підтверджено рядом дослідників за результатами численних спостережень (Сві П.М., Смекалов В.В., Шинкаренко Г.В. та ін.).

Виконаний огляд існуючих методів контролю показав, що сучасній тенденції контролю електричних характеристик ІКТ відповідає контроль під робочою напругою, причому перспективним є безперервний контроль з використанням стаціонарних пристроїв контролю у вигляді елементів автоматизованих інформаційно-вимірювальних систем. Для діагностичних ознак, які визначаються при контролі під робочою напругою шляхом вимірювання струму через ІКТ об'єкту контролю (рис. ), основним чинником, що впливає на результати вимірювань, є вплив електричного поля, створеного робочою напругою електроустановки, яке обумовлює протікання через об'єкт контролю просторово розподілених ємнісних струмів (струмів впливу) .

Часткових ємностей, що створюють шляхи для струмів впливу, багато. Струми, що протікають по кожному із шляхів, мають різні значення модуля і фази, залежно від конструкції обладнання, його розташування щодо інших елементів РУ та робочої напруги. Існуючі рішення по врахуванню струмів впливу не припускають їх визначення розрахунковим шляхом за відповідними вихідними даними, що перелічені вище. Визначення струмів впливу розрахунковим шляхом в повнофакторній постановці задачі дозволить врахувати їх значення при вимірюванні параметрів ІКТ, у тому числі параметра , зміна якого, відповідна ознаці дефекту, що розвивається, може бути викликана зміною струмів впливу.

Обгрунтовані задачі розробки методу контролю під робочою напругою ІКТ обладнання ЕЕС, в якому з метою підвищення достовірності контролю враховується одержаний розрахунковим шляхом при кожному контролі повний струм впливу в колі заземлення вимірювальної обкладинки, і технічної реалізації відповідного елементу автоматизованої інформаційно-вимірювальної системи, тобто елементу АСК ТП ПС.

У другому розділі запропоновані математичні моделі системи “вимірювальна обкладинка ізоляції трансформатору струму – елементи розподільної установки” і системи “вимірювальні обкладинки ізоляції вводів 330 кВ – обмотки трифазного силового автотрансформатору”. Система багатьох тіл в першому випадку включає провідні тіла у формі тороїдів, еліпсоїдів обертання і проводів кінцевої довжини, розташовані в напівпросторі з r=1, які моделюють ситуативне розташування і конструкцію об'єктів і елементів РУ. Визначено принципи, відповідно до яких конструкція вказаних об'єктів і елементів відображена сукупністю провідних тіл із заданими значеннями потенціалів. Потенціали тороїдів системи, що моделюють об'єкт контролю, а також аналогічних систем провідних тороїдів, що моделюють інші об'єкти РУ, змінюються рівномірно з деяким постійним кроком від відповідної фазної напруги до нуля. Потенціали проводів кінцевої довжини (моделі шин РУ) і еліпсоїдів обертання (моделі елементів повітряних вимикачів) дорівнюють відповідним фазним напругам РУ; нульові потенціали мають еліпсоїди – моделі стійок під обладнання і порталів РУ. В другому випадку система включає три сплюснуті еліпсоїди обертання (моделі обмоток) і три витягнуті еліпсоїди обертання (моделі обкладинок), які розташовані в необмеженому горизонтальному шарові діелектрика з r>1; потенціали моделей обмоток дорівнюють фазним напругам трифазної системи, а моделі обкладинок мають потенціал рівний нулю.

Розроблені алгоритми розрахунку повного струму впливу в колі заземлення виводу від вимірювальної обкладинки ізоляції опорних ТС і ВВ 330 кВ трифазного силового АТ. При цьому розрахунок струму впливу для об'єкту контролю виконується таким чином, що початкова фаза струму визначається щодо фазної напруги цього об'єкту, яка суміщається з віссю реальних величин комплексної площини.

Алгоритм розрахунку струму впливу включає формування матриці взаємних і власних потенціальних коефіцієнтів системи електродів в напівпросторі з r=1 (для об'єктів контролю – ТС і верхньої частини ВВ), моделюючих ситуативне розташування і конструкцію об'єктів і елементів РУ. Наступним етапом алгоритму є розрахунок взаємних часткових ємностей в системі електродів, тобто в системі багатьох тіл. Для цього багаторазово розв'язується система лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР)

, (1)

де [] – матриця потенціальних коефіцієнтів, [q] і [U] – стовпові матриці зарядів і потенціалів електродів.

Пронумеруємо від 1 до m провідні еквівалентні тороїди системи, що моделює об'єкт контролю, і від m+1 до n всі ті елементи, від яких через ємнісні зв'язки з вказаними тороїдами розраховуються складові струму впливу. На кожному кроці циклу рішення СЛАР в матриці потенціалів електродів одне із значень від U1 до Um послідовно приймається ненульовим (Ui>0, ), а інші – рівними нулю. На підставі кожного з векторів рішення [q] визначаємо відповідні взаємні часткові ємності, наприклад, взаємна часткова ємність між m і n електродами визначається як .

Завершальним етапом алгоритму є розрахунок повного струму впливу по його складових. Складові цього струму розраховуються на підставі отриманих раніше значень масиву взаємних часткових ємностей C1,m+1,… C1,n,… Cm,m+1,... Cm,n і відомих значень потенціалів електродів. Повний струм впливу в колі заземлення вимірювальної обкладинки ізоляції об'єкту контролю фази, що розраховується, буде рівний:

,(2)

де IВП,i – складова струму впливу, що протікає в колі провідного еквівалентного тороїду i () системи, що моделює об'єкт контролю.

Цей струм дорівнює:

, (3)

де k, l, r та s – підмножини номерів електродів множини , причому підмножина k містить номери електродів, якими моделюються об'єкти, що відносяться до випереджаючої фази (по відношенню до тієї, що розраховується); l – номери електродів, якими моделюються об'єкти, що відносяться до відстаючої фази; r – номери електродів, якими моделюються об'єкти, що відносяться до фази, що розраховується, та s – номери електродів, якими моделюються об'єкти з нульовим значенням потенціалу; Ul відст.ф, Uk вип.ф і Ur розр.ф – потенціали електродів, віднесених до відповідних підмножин; Cl відст.ф,i, Сk вип.ф,i, Сr розр.ф,i і Cs,i – значення взаємної часткової ємності між електродом, віднесеним до відповідної підмножини, та i-м електродом; Ui – значення потенціалу i-го електроду.

Аналогічно, складова струму впливу від обмоток АТ в колі вимірювальної обкладинки ізоляції вводу 330 кВ фази, що розраховується, дорівнює:

, (4)

де Срозр.ф.-обкл, Свип.ф.-обкл і Свідст.ф.-обкл – взаємні часткові ємності між обмоткою і вимірювальною обкладинкою фази, що розраховується, а також між вказаною обкладинкою і обмотками випереджаючої і відстаючої фаз АТ, одержані на підставі вектора рішення [q] СЛАР.

Для ВВ 330 кВ АТ повний струм є результуючим по виразах (3) і (4).

Автоматизація розрахунків струму впливу в колі заземлення вимірювальної обкладинки ізоляції об'єкту контролю досягається за допомогою програми “ICComp”, що реалізує вказані алгоритми. Об'єм програми складає 8000 рядків тексту в Delphi 3.

Третій розділ присвячений підтвердженню достовірності розрахунків по розроблених алгоритмах розрахунку струмів впливу на підставі досліджень на діючих електроустановках 330 кВ і на випробувальній установці високої напруги, а також дослідженням з використанням програми “ICComp” для умов безперервного контролю ІКТ під робочою напругою.

Дослідження на випробувальній установці високої напруги з використанням вводу 110 кВ типа ГМТВ-45-110/630-У1, №Т62780 показали, що струм витоку в колі заземлення виводу від вимірювальної обкладинки вводу змінюється внаслідок впливу електричного поля, причому цей вплив зберігається в умовах зволоження чистої поверхні покришки вводу, а також сухого стану забруднення покришки.

Натурні вимірювання струму впливу в колі заземлення вимірювальної обкладинки ІКТ ТС 330 кВ, відключених для експлуатаційного контролю, проводилися з метою отримання даних для уточнення розроблених математичних моделей. В процесі вимірювання за допомогою світлопроменевого осцилографа Н115 реєструвався струм впливу від дії приєднань 330 кВ ПС, що залишилися в роботі (табл. ). Аналіз осцилограм показав, що форма кривої струму впливу мало спотворена, близька до синусоїдальної при частоті 50 Гц мережі.

Таблиця 1.

Значення струму впливу в колі заземлення вимірювальної обкладинки ізоляції відключених ТС 330 кВ

Найменування електроустановки, приєднання | ТС приєднання ПС | Струм IВП, мкАРобоча фазна напруга приєднання ПС, кВ | Тип ТС

ПС “Артема – 330 кВ, 1АТ | фаза А | 190 | 194,0 | ТФКН-330

фаза B | 170

фаза С | 210

ПС “Артема – 330 кВ”, 2АТ | фаза А | 125 | 194,0

фаза B | 160

фаза С | 200

Використання математичної моделі системи “вимірювальна обкладинка ізоляції трансформатору струму – елементи розподільної установки” потребує задання геометричних характеристик моделей обладнання і елементів РУ. Проводи кінцевої довжини, які моделюють ошиновку і систему шин РУ, еліпсоїди обертання, які моделюють елементи вимикача, стійки порталів, опорних конструкцій обладнання та ін., мають цілком певні геометричні характеристики, що дорівнюють відповідним довжинам, еквівалентним радіусам і висотам об'єктів РУ. Ізоляційні конструкції обладнання моделюються системою еквівалентних тороїдів, число яких дорівнює числу ребер вказаної конструкції; діаметр кола обертання тороїдів приймається рівним діаметру ізоляційної конструкції біля кромки ребра. На підставі результатів натурних вимірювань (табл. ) уточнюється математична модель системи з позицій встановлення значення одного параметра – діаметру поперечного перетину тороїдів системи . Для цього проводиться обчислювальний експеримент для визначення за допомогою програми “ICComp” залежностей для системи багатьох тіл (рис. ) відповідно умовам натурних вимірювань струму IВП на ПС “Артема – 330 кВ”.

Застосувавши вирівнювання прямими результатів вказаного вище обчислювального експерименту по критерію методу найменших квадратів на підставі результатів натурних вимірювань маємо  мм. Порівняння результатів вимірювань і розрахунків в цьому випадку показує, що найбільша розбіжність їх не перевищує 18% і може розглядатися як прийнятна для задач такого типу.

Рис. . Частина системи багатьох тіл для моделювання ємнісних зв'язків, що відповідає фазі комірки 1АТ ПС “Артема – 330 кВ”.

За допомогою осцилографа Н115 здійснено вимір струму в колі заземлення вимірювальної обкладинки ІКТ ВВ 330 кВ трифазного силового АТ типу АТДЦТН-200000/330/110 ПС “Артема –  кВ” під дією робочої напруги (табл. ) з подальшим гармонійним аналізом і визначенням фазового зсуву першої гармоніки струму по відношенню до робочої напруги однойменної фази.

Таблиця 2.

Значення струму в колі заземлення вимірювальної обкладинки ІКТ ВВ 330 кВ

Об'єкт вимірювань | Струм Iвим,, мАСтрум I1m, вим, мАФазовий кут струму i1вим(t) по відношенню до робочої напруги однойменної фази, град | Тип ВВ

ВВ 330 кВ АТ:

фаза А |

51,115 |

48,105 |

+85 | ГБМТП-330/1000 У1

фаза В | 53,975 | 50,797 | +90

фаза С | 55,803 | 52,518 | +96

Для ВВ 330 кВ фаз А і С фазовий зсув струму по відношенню до робочої напруги однойменної фази відрізняється від аналогічного параметру, визначеного по tg ізоляційного сердечника з паспорту-формуляра і рівного 89,660 і 89,670 відповідно. Це означає, що одержані результати вимірювання струму включають в себе як струм через ізоляційний сердечник, так і струм впливу. Для ВВ 110 кВ даного АТ на основі аналізу фазових кутів заміряних струмів можна зазначити практичну відсутність струму впливу.

З використанням програми “ICComp” виконано аналіз необхідності врахування струму впливу з метою підвищення достовірності контролю під робочою напругою ІКТ вимірювальних ТС 330 і 750 кВ, а також ВВ 330 кВ трифазних силових АТ. Стосовно ТС розглядаються умови реалізації як пооб'єктного контролю, так і вимірювання струму небалансу попередньо симетрованої суми трифазної системи струмів через ІКТ трьох об'єктів однієї напруги (нерівноважно-компенсаційний метод). Розрахункові умови контролю під робочою напругою: нормальна схема електроустановки, робоча напруга симетрична () за відсутності та при виникненні коронного розряду, а також несиметрична ; (при k=A, l=B, m=C; при k=B, l=A, m=C; при k=C, l=A, m=B); ремонтна схема електроустановки (відключена сусідня комірка), робоча напруга симетрична (). Об'єкти контролю – вимірювальні ТС приєднання 1АТ ПС “Артема –  кВ” і ТС міжшинного ланцюга ПС “Західноукраїнська –  кВ”.

По критерію виникнення дефекту, що розвивається (>0,5%) встановлено, що за умови незмінності струму витоку об'єкту контролю (зміна комплексної провідності, пов'язаної з дефектом ) зміна струму впливу досягає значень, характерних для ознаки дефекту, що розвивається, в ІКТ, при пооб'єктному контролі ТС 750 кВ і контролі нерівноважно-компенсаційним методом ТС 330 і 750 кВ.

Підвищення достовірності контролю при цьому може бути досягнуте шляхом врахування зміни струму впливу при кожному контролі в режимі реального часу для поточних схеми і режиму електроустановки, тобто з використанням імітаційної моделі впливаючих електроустановок. Використання імітаційної моделі в умовах пооб'єктного контролю під робочою напругою ІКТ ВВ 330 кВ трифазного силового АТ (стосовно 2АТ ПС “Артема –  кВ”) дозволяє уточнити граничне значення контрольованого параметру для фаз А, В і С відповідно на 11,3%, 7,0% і 3,8%. Модуль комплексної провідності ІКТ ВВ 330 кВ при першому контролі у цьому випадку характеризується найбільшим наближенням до значення, заміряного на заводі-виготовнику при напрузі 240 кВ.

У четвертому розділі приведені розроблений метод контролю під робочою напругою і пристрій для його реалізації – як елемент АСК ТП ПС. Метод контролю, який передбачає перевірку зміни модуля комплексної провідності ізоляції шляхом вимірювання струму в колі заземлення виводу від вимірювальної обкладинки ізоляції об'єкту контролю, включає відтворення на імітаційній моделі дії впливаючих електроустановок при їх поточних схемі і режимі, результатом якого є струм впливу, і виключення цього струму з результатів вимірювання; при контролі вимірюється також фазна напруга об'єкту контролю як для визначення модуля комплексної провідності, так і для розрахунку струму впливу. Узгодження в часі миттєвих значень заміряного струму і струму впливу проводиться щодо вторинної фазної напруги з початковою фазою прийнятою рівною нулю вимірювального трансформатора напруги, приєднаного до тієї ж фази системи шин, що і об'єкт контролю. Реалізація методу з використанням сучасної елементної бази, тобто в підсистемі АСК ТП ПС, дає можливість аналізувати зміну електричних параметрів ізоляції в часі. Метод передбачає апаратну (рис. ) і програмну частини.

Апаратна частина пристрою здійснює аналого-цифрове перетворення сигналів вторинної напруги вимірювального трансформатору напруги і напруги (див. рис. ) по кожній фазі об'єкту контролю. За допомогою високошвидкісного таймера визначається значення тривалості періоду промислової частоти Т. Кількість вимірів миттєвих значень сигналів за період прийнята рівною N=40, тобто крок дискретизації складає ТД=500 мкс. Після закінчення циклу аналого-цифрового перетворення проводиться передача вихідних кодів АЦП, відповідних аналоговим сигналам в поточних каналах, в ЕОМ.

При наладці пристрою контролю ІКТ (перший контроль), програмно обчислюються і запам'ятовуються електричні параметри, що використовуються для контролю: струм витоку через ІКТ об'єкту контролю за відсутності дефекту (індекс фази не вказаний) , частота мережі і робоча фазна напруга . Зокрема, модуль струму витоку через ІКТ складає:

. (5)

Рис. . Функціональна схема пристрою.

Значення струму обчислюється на підставі визначення коефіцієнтів А1 і В1 кінцевого ряду Фур'є по всіх N значеннях вимірів; струм розраховується за допомогою імітаційної моделі для поточних схеми і режиму електроустановки. Фазовий зсув між першою гармонікою струму і робочою фазною напругою об'єкту контролю обчислюється по ознаці зміни знаку слідуючих одне за одним миттєвих значень сигналів і і початковій фазі першої гармоніки. Робоча фазна напруга визначається в результаті відновлення функції по сукупності її миттєвих значень і використання формули трапецій чисельного інтегрування.

При кожному контролі проводиться обчислення величин , та по тому ж алгоритму, що і при першому контролі.

Контролюється зміна модуля повної провідності ІКТ як:

, (6)

яка запам'ятовується і зіставляється з граничним значенням.

Програмно реалізується також нерівноважно-компенсаційний метод контролю з урахуванням струмів впливаючих електроустановок як:

, (7)

де та – значення струмів через ізоляцію об'єкту контролю фаз В та С, приведені до робочої напруги фази А; та – результати симетрування струмів та при першому контролі; а – оператор повороту.

Обчислюється по коефіцієнтах А3 і В3 кінцевого ряду Фур'є амплітуда третьої гармоніки струму в колі заземлення вимірювальної обкладинки ІКТ (індикаторний параметр).

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача розробки методу безперервного контролю електричних параметрів ІКТ обладнання ЕЕС, що забезпечує підвищення достовірності контролю за рахунок врахування впливу електричного поля, створеного робочою напругою електроустановки, і пристрою для реалізації методу на основі використання сучасної елементної бази.

1. Аналіз ємнісних зв'язків вимірювального елементу схеми контролю ІКТ з елементами РУ дозволив розробити математичні моделі відповідних електростатичних систем, утворених сукупністю провідників в напівпросторі і в необмеженому горизонтальному шарові.

2. Рішення задачі розрахунку струму впливу в колі вимірювального елементу схеми контролю ІКТ за вихідними даними конструкції обладнання, його розташування відносно інших елементів РУ та робочої напруги базується на вказаному вище математичному моделюванні і методі комплексних величин. Це рішення одержано вперше у вигляді алгоритму розрахунку струму впливу, реалізованого в програмі “ICComp”, і використано як для досліджень необхідності врахування струму впливу з метою підвищення достовірності контролю ІКТ об'єктів різної номінальної напруги, так і в якості базового алгоритму для реалізації імітаційної моделі впливаючих електроустановок при контролі під робочою напругою. Достовірність розрахунку струму впливу по розробленому алгоритму оцінена на підставі зіставлення результатів розрахунку і натурних вимірювань на діючих електроустановках 330 кВ; найбільша розбіжність результатів не перевищує 18%, а власне розраховані значення знаходяться в діапазоні значень, одержаних іншими авторами.

3. Дослідження необхідності врахування струму впливу з метою підвищення достовірності контролю ІКТ, виконані з використанням програми “ICComp”, показали, що пооб'єктний контроль під робочою напругою ізоляції вимірювальних ТС 330 кВ може проводитися без урахування струму впливу; для ТС 750 кВ достовірність цього контролю ізоляції залежить від врахування зміни струму впливу. В першому випадку одержана зміна контрольованого струму, обумовлена зміною струму впливу при переході від нормальної схемі до ремонтної, що складає 0,46%, тобто менше значення, відповідного ознаці дефекту, що розвивається, а в другому – вказана зміна склала відповідно 0,77% при переході від нормальної схемі до ремонтної і 1,05% – при порушенні симетрії напруги трифазної системи, тобто відповідає значенням, характерним для дефекту, що розвивається, в ІКТ. Зміна схеми електроустановки, наприклад, перехід від нормальної до ремонтної, викликає зміну струму небаланса, обумовленого струмами впливаючих електроустановок, при контролі ізоляції ТС 330 і 750 кВ пристроями, що реалізують нерівноважно-компенсаційний метод; це встановлено на підставі досвіду експлуатації існуючих рішень пристроїв контролю. Дослідженнями з використанням програми “ICComp” встановлено, що зміни струму небаланса при цьому досягають значень, відповідних ознакам дефекту, що розвивається, в ІКТ: 1,09% контрольованого струму для ТС 750 кВ і 0,58% – для ТС 330 кВ. Достовірність контролю вказаним вище методом підвищується при врахуванні зміни струму впливу.

4. Аналогічні дослідження для умов пооб'єктного контролю під робочою напругою ізоляції ВВ 330 кВ трифазного силового АТ показали, що достовірність контролю підвищується при врахуванні струму впливу. Зокрема, використання імітаційної моделі дозволяє уточнити контрольований струм для ВВ фаз АТ в припущенні незмінності робочої напруги від 3,8% до 11,3%.

5. Розроблено метод безперервного пооб'єктного контролю електричних параметрів ІКТ в маслонаповненому високовольтному обладнанні, згідно з яким перевіряється зміна модуля комплексної провідності ізоляції. В методі контролю вперше застосована імітаційна модель впливаючих електроустановок, базовим алгоритмом якої є розроблений алгоритм розрахунку струму впливу; імітаційна модель відтворює вплив електричного поля, утвореного робочою напругою електроустановки, на результати вимірювань електричних параметрів ізоляції для поточної схеми і режиму електроустановки. Математичні моделі електростатичних систем, утворених сукупністю провідників в напівпросторі і в необмеженому горизонтальному шарові, застосовані при реалізації вказаного методу контролю вперше.

6. Вдосконалено нерівноважно-компенсаційний метод контролю ізоляції, що базується на вимірюванні струму небалансу попередньо симетрованої суми трифазної системи струмів через ізоляцію трьох об'єктів однієї напруги. Від існуючого він відрізняється відтворенням впливу електричного поля елементів РУ за допомогою імітаційної моделі.

7. Розроблено пристрій контролю ІКТ, що реалізує як вказаний вище метод безперервного пооб'єктного контролю, так і вдосконалений нерівноважно-компенсаційний метод. Пристрій реалізований на сучасній елементній базі, тобто як елемент АСК ТП ПС, та має апаратну і програмну частини. Запропоновані принципова схема апаратної частини пристрою, а також алгоритм реалізації на ЕОМ вказаних вище методів контролю.

8. Виконана оцінка метрологічних характеристик розробленого пристрою, який використано для контролю ізоляції ВВ 330 кВ трифазного силового АТ. Максимальне значення модуля повної погрішності, що виникає при безперервному контролі електричних параметрів ІКТ, дорівнює 4,3%. Реєстрація дефекту, що розвивається, в ізоляції при цьому принципово можлива, оскільки набуте значення погрішності практично цілком визначається погрішністю відтворення на імітаційній моделі впливаючих електроустановок, яка буде присутня у всіх випадках як постійна складова при контролі, однаково впливаючи на результат вимірювання. Кількісна оцінка ступеня підвищення достовірності контролю, виконана стосовно контролю ізоляції ВВ 330 кВ трифазного силового АТ розробленим методом, відповідає ступеню мінімізації систематичної погрішності при контролі, тобто її зниженню в 6,3 рази.

9. Дослідний зразок розробленого пристрою контролю впроваджено на ПС “Артема –  кВ” Північної ЕЕС НЕК “Укренерго” для діагностики ІКТ ВВ 330 і 110 кВ трифазного силового АТ. Рекомендується розширене впровадження вказаних пристроїв в ОЕС України, у тому числі, замість виведених з роботи систем контролю ТС 330 і 750 кВ. Приклад такого розширеного впровадження – використання розробленого пристрою для діагностики стану ізоляції ВВ 110 кВ блокового трансформатора 1Т Харківської ТЕЦ-5.

10. Одержане в дисертаційній роботі рішення задачі розрахунку струму впливу у вигляді алгоритму розрахунку використано в навчальному процесі на кафедрі передачі електричної енергії НТУ “ХПІ”.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бондаренко В.Е., Минченко А.А. Анализ методов непрерывного контроля диэлектрических характеристик изоляции при рабочем напряжении на объекте // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ. – 1998. – Вып. . – С. -57.

Здобувачу належить постановка задачі визначення струмів впливу з метою підвищення чутливості контролю ІКТ ВВ і ТС.

2. Бондаренко В.Е., Минченко Андр. Анат. Анализ емкостных связей в системе “измерительная обкладка изоляции трансформатора тока – элементы распределительного устройства” и их моделирование при построении алгоритма определения тока влияний // Вісник Харківського державного політехнічного університету. – Харків: ХДПУ. – 1999. – Вип. . – С. .

Здобувачем запропоновані моделі елементів РУ для алгоритмізації розрахунку струму впливу в колі вимірювального елементу схеми контролю.

3. Минченко Андр. Анат., Бондаренко В.Е. Алгоритм расчета тока влияний в цепи измерительной обкладки изоляции контролируемого объекта // Вісник Харківського державного політехнічного університету. – Харків: ХДПУ. – 1999. – Вип. . – С. .

Здобувачем запропоновано уточнений алгоритм розрахунку струму впливу в колі заземлення вимірювальної обкладинки ізоляції об'єкта контролю та використання методу наведеного потенціалу для визначення потенціальних коефіцієнтів моделей елементів РУ.

4. Минченко А.А. Емкостные связи в системе “измерительные обкладки изоляции вводов 330 кВ – обмотки трехфазного силового автотрансформатора” и их моделирование при расчете тока влияния // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ. – 2000. – Вып. . Сер. НРСТ. – С. .

5. Минченко Андр. Анат., Бондаренко В.Е., Борискин В.Ф. Алгоритм расчета тока влияния в цепи измерительной обкладки изоляции ввода 330 кВ трехфазного силового автотрансформатора от его обмоток // Вісник Харківського державного політехнічного університету. – Харків: ХДПУ. – 2000. – Вип. . – С. .

Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку струму впливу в колі заземлення вимірювальної обкладинки ізоляції ВВ 330 кВ трьохфазного силового АТ від його обмоток та розрахункові вирази відповідних потенціальних коефіцієнтів.

6. Минченко Андр. Анат., Бондаренко В.Е. Учет влияния электрического поля на измерения параметров изоляции вводов 330 кВ трехфазного силового автотрансформатора под рабочим напряжением // Вісник Харківського державного політехнічного університету. – Харків: ХДПУ. – 2000. – Вип. . – С. .

Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку струму впливу по двох складових: від обмоток та від ошиновки та сусідніх вводів.

7. Мінченко Анд. Анат., Бондаренко В.О. Спосіб контролю діелектричних характеристик внутрішньої ізоляції конденсаторного типу вводів силових трансформаторів і вимірювальних трансформаторів струму під робочою напругою // Збірник наук. праць Донецького національного технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”. – Донецьк: Дон НТУ. – 2002. – С. .

Здобувач запропонував метод пооб'єктного контролю ІКТ, удосконалений метод контролю трьох об'єктів однієї напруги, по яким відтворюється вплив електроустановок, та реалізацію елемента АСК ТП ПС.

8. Полянчиков О.І., Бондаренко В.О., Мінченко А.А. Спосіб контролю діелектричних характеристик внутрішньої ізоляції конденсаторного типу вводів силових трансформаторів і вимірювальних трансформаторів струму під робочою напругою та елемент АСУ ТП підстанції для його реалізації // Новини енергетики. – К., 2002. – №8. – С. .

Здобувач запропонував функціональну схему дослідного зразка елемента АСК ТП ПС для контролю ізоляції ВВ 330 кВ АТ.

9. Минченко Андр. Анат. Необходимость учета тока влияния при непрерывном контроле изоляции конденсаторного типа измерительных трансформаторов тока и вводов трехфазных силовых трансформаторов // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2003. – Вип. . – С. .

10. Бондаренко В.О., Мінченко А.А. Спосіб контролю діелектричних характеристик внутрішньої ізоляції конденсаторного типу вводів силових трансформаторів і вимірювальних трансформаторів струму під робочою напругою // Патент України №47975 А. Бюл. №7. 2002.

Здобувачу належить ідея при контролі ізоляції розраховувати струм впливу та віднімати його миттєві значення із результатів виміру миттєвих значень струму в колі заземлення виводу від вимірювальної обкладинки, узгоджуючи їх в часі.

11.Бондаренко В.Е., Минченко А.А. Совершенствование устройств контроля изоляции трансформаторов тока и вводов силовых трансформаторов под рабочим напряжением // Тез. докл. 15-й Российской НТК “Неразрушающий контроль и диагностика”. – Том . – М.: РОНКТД. – 1999. – С. .

Здобувачу належить постановка задачі створення пристрою безперервного контролю, що налагоджується адаптивно до зміни струму впливу.

12. Бондаренко В.Е., Минченко Андр. Анат. Совершенствование устройств контроля изоляции трансформаторов тока и вводов силовых трансформаторов под рабочим напряжением / Зб. наук. праць ХДПУ: “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”. – Харків: ХДПУ. – 1999. – Вип. у 4-х част., частина третя. – С. .

Здобувачу належить формулювання принципу побудови алгоритму розрахунку струму впливу.

13. Минченко Андр. Анат., Бондаренко В.Е., Минченко А.А. Способ контроля изоляции вводов силовых трансформаторов и измерительных трансформаторов тока под рабочим напряжением и элемент АСУ ТП подстанции для его реализации // Тези доповідей ІІ Міжнародної наук.-техн. конф. “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем – 2002”. – Донецьк. – 2002. – С. .

Здобувач запропонував реалізацію методу як елемента АСК ТП ПС.

14. Мінченко Андр. Анат., Мінченко А.А. Метод і пристрій безперервного контролю електричних параметрів внутрішньої ізоляції конденсаторного типу в маслонаповненому високовольтному устаткуванні // Материалы Третьей Промышленной конференции с международным участием и выставки “Эффективность реализации научного ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. – К.: УИЦ “Наука. Техника. Технология” – 2003. – С. .

Здобувач запропонував використання імітаційної моделі для врахування впливу електричного поля робочої напруги РУ.

АНОТАЦІЇ

Мінченко А.А. Удосконалювання діагностики високовольтної ізоляції конденсаторного типу на основі врахування просторово розподілених ємнісних струмів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.13 – техніка сильних електричних та магнітних полів. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2005.

Дисертація присвячена розробці методу безперервного контролю електричних параметрів внутрішньої ізоляції конденсаторного типу (ІКТ) в маслонаповненому енергетичному обладнанні високої напруги, який забезпечує підвищення достовірності контролю за рахунок врахування впливу електричного поля елементів розподільної установки, і пристрою для реалізації методу. Розв'язана задача розрахунку струму впливу в колі вимірювального елементу схеми контролю ІКТ. Встановлено, що достовірність пооб'єктного контролю ізоляції залежить від врахування зміни струму впливу для трансформаторів струму 750 кВ та вводів 330 кВ трифазних силових автотрансформаторів. Розроблено метод пооб'єктного безперервного контролю та удосконалено нерівноважно-компенсаційний метод контролю електричних параметрів ІКТ під робочою напругою з відтворенням впливу електричного поля елементів розподільної установки за допомогою імітаційної моделі, в якій використаний алгоритм розрахунку струму впливу. Розроблено пристрій контролю ІКТ, який реалізує пооб'єктний та нерівноважно-компенсаційний методи. Запропоновано апаратну та програмну частини пристрою.

Ключові слова: сильне електричне поле, вплив електричного поля, ізоляція конденсаторного типу, струм впливу, методи контролю, пристрій контролю.

Минченко А.А. Совершенствование диагностики высоковольтной изоляции конденсаторного типа на основе учета пространственно распределенных емкостных токов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по