УДК 621.316.1.027

Матвієнко Сергій Валерійович

ТЕХНІЧНЕ ДІАГНОСТУВАННЯ ІЗОЛЯЦІЇ В ЕЛЕКТРИЧНИХ РОЗПОДІЛЬНИХ МЕРЕЖАХ НАПРУГОЮ 6-10 КВ

Спеціальність 05.14.02 – Електричні станції, мережі і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця - 2007Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Кутін Василь Михайлович,

Вінницький національний технічний університет,

професор кафедри електричних станцій та систем | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Жежеленко Ігор Володимирович,

Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь),

завідувач кафедри електропостачання промислових підприємств

доктор технічних наук, професор

Назаров Володимир Васильович,

ВАТ „Укрелектроапарат” (м. Хмельницький),

директор з науково-дослідної роботи |

Захист відбудеться "25" січня 2008 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.05 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95, ГУК 210

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

Автореферат розісланий "20" грудня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.Ц. Зелінський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Досвід експлуатації розподільних мереж напругою 6-10 кВ вказує на існування проблеми забезпечення необхідного рівня надійності і безпеки експлуатації обладнання даних мереж. Особливого загострення дана проблема набула в сучасних умовах кризи експлуатації в енергопостачальних компаніях України, коли ресурс обладнання вже практично вичерпаний, а планові заміни і ремонти із-за дефіциту фінансових ресурсів не проводяться, що викликає значне зростання аварійності. При цьому найбільш проблемною ділянкою є розподільна мережа (РМ) повітряних ліній електропередач (ПЛЕП). Саме ця частина загальної РМ є найбільш ненадійним її елементом, оскільки її ізоляція перебуває під безпосереднім впливом зовнішнього середовища. Найбільш поширеним видом пошкоджень в РМ ПЛЕП є замикання на землю, які складають 60-90% від усіх видів пошкоджень. Їх поява призводить до створення небезпеки ураження людей струмом, до суттєвого зниження якості і надійності електропостачання, виникнення в РМ значних понаднормативних технічних втрат електроенергії.

Дослідженнями процесів пошкоджень ізоляції, а також розробкою методів та засобів захисту від замикань на землю і контролю ізоляції займався ряд відомих вчених в Україні: Кузнєцов В.Г., Кутін В.М., Назаров В.В., Сивокобиленко В.Ф., Сирота І.М. та ін.; в Росії: Вайнштейн Р.А., Гладілін Л.В., Нагай В.І., Сидоров О.І., Цапенко Є.Ф., Шалін О.І. та ін.; в зарубіжних країнах: Р. Вільгейм, Г. Кранц, В. Петерсен, Р. Рейнольдс та ін. Питанням якості електропостачання при виникненні пошкоджень ізоляції та появі струмів і напруг нульової послідовності та зміщення нейтралі приділено увагу в наукових працях Жежеленка І.В., Іванова В.С., Левіна М.С.

Основною причиною виникнення замикань на землю є утворення шунтувальних зв’язків між струмоведучими частинами РМ і землею. Контроль провідності ізоляції кожної фази РМ відносно землі дає найбільш повну інформацію для виявлення несправностей ізоляції окремих її елементів на ранній стадії розвитку пошкодження неруйнівними методами. При цьому слід зауважити, що не існує норм для обмеження зміни параметрів ізоляції. Виникає необхідність визначення умов працездатності ізоляції, які дозволяють чітко розмежувати технічний стан ізоляції на працездатний і непрацездатний і визначити момент переходу в режим обслуговування при контролі великої кількості параметрів.

В РМ енергопостачальних компаній України в основному застосовуються методи контролю ізоляції, основані на вимірюванні струмів і напруг нульової послідовності та напруги зміщення нейтралі, дія яких зводиться лише до сигналізації виникнення однофазних замикань на землю, а також методи, основані на періодичному випробуванні ізоляції підвищеною напругою. Із-за малої чутливості дані методи не дозволяють виявляти пошкодження ізоляції відносно землі на ранніх стадіях їх розвитку.

Тому існує актуальна науково-практична проблема визначення умов працездатності ізоляції в процесі експлуатації, а також розробки і впровадження в РМ досконалих методів діагностування технічного стану ізоляції, які дозволяють виявляти пошкодження на ранніх стадіях їх розвитку під робочою напругою. Їх технічна реалізація дозволяє забезпечити перехід від нині діючої регламентної до якісно кращої системи обслуговування обладнання РМ „за технічним станом”.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота за темою дисертації виконувалась в рамках програм і планів наукових досліджень кафедри “Електричних станцій і систем” Вінницького національного технічного університету, а також в рамках держбюджетної теми „Розробка математичних моделей і засобів підвищення надійності систем контролю та керування в електроенергетиці” (держбюджетна тема №2902, № ДР 0101U010158, 2006р.). В зазначеній темі автором були досліджені фактори, що впливають на надійність систем контролю ізоляції в РМ з ізольованою нейтраллю та розроблені математичні моделі і загальний принцип побудови діагностичного комплексу контролю працездатності ізоляції.

Мета і завдання дослідження. Метою даного дисертаційного дослідження є підвищення рівня надійності, безпеки і ефективності експлуатації розподільних мереж напругою 6-10 кВ шляхом вдосконалення діагностичного забезпечення, призначеного для визначення технічного стану ізоляції РМ в умовах експлуатації.

Для досягнення мети поставлені і вирішені такі задачі:

- дослідження факторів, що впливають на технічний стан ізоляції РМ з ізольованою нейтраллю;

- аналіз існуючих методів контролю ізоляції;

- визначення умов працездатності ізоляції;

- розробка принципу і методу визначення працездатності ізоляції в РМ з ізольованою нейтраллю;

- вдосконалення методів контролю параметрів ізоляції окремих фаз відносно землі, які дозволяють виявити пошкодження ізоляції на ранній стадії його розвитку;

- розробка технічних засобів контролю технічного стану ізоляції РМ.

Об’єкт дослідження – процеси зміни технічного стану і працездатності ізоляції РМ під час її експлуатації.

Предмет дослідження – діагностичні ознаки та методи визначення працездатності ізоляції РМ відносно землі на ранній стадії розвитку пошкодження в процесі експлуатації.

Методи дослідження. Використані теоретичні та експериментальні методи досліджень. Зокрема, алгоритмічний, сигнально-параметричний, фізичний та евристичний методи опису технічного стану системи електропостачання для визначення технічного стану розподільної мережі як групи взаємодіючих, розподілених в просторі елементів; метод вузлових потенціалів та метод еквівалентного генератора для визначення струмів через шунтувальний зв’язок і отримання умов працездатності ізоляції; методи аналізу чутливості та врахування інформаційного аспекту при виборі сукупності контрольованих показників; метод об’єктно-орієнтованого аналізу для визначення структури і алгоритму функціонування системи контролю технічного стану ізоляції; методи аналізу експериментальних даних і їх співставлення з результатами теоретичних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Вперше запропоновано принцип визначення працездатності ізоляції РМ відносно землі, який полягає в наступному: для підвищення рівня надійності, безпеки і ефективності експлуатації РМ необхідно в процесі експлуатації контролювати працездатність її ізоляції за діагностичними ознаками, що обмежують величину струму через шунтувальний зв’язок за критеріями електробезпеки і активну потужність втрат в ізоляції від струмів стікання на землю за економічним критерієм мінімуму втрат електроенергії. Для реалізації запропонованого принципу розроблено метод визначення працездатності ізоляції РМ.

- Отримав подальший розвиток метод визначення параметрів ізоляції фази мережі відносно землі шляхом неперервного контролю загального активного опору ізоляції і напруг фаз відносно землі, який забезпечує виявлення пошкоджень ізоляції відносно землі на ранніх стадіях їх розвитку.

- Для підвищення вірогідності діагнозу технічного стану ізоляції слід використовувати вдосконалений метод періодичного контролю параметрів ізоляції фази мережі відносно землі на основі принципу зміщення нульової точки трикутника напруг на середину вектора лінійної напруги. Вдосконалення даного методу полягає у отриманні способу врахування несиметрії ємностей фаз мережі відносно землі.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що на основі запропонованого методу розроблено спосіб побудови технічних засобів контролю працездатності ізоляції РМ відносно землі, а також алгоритмічне програмне забезпечення для обробки результатів контролю і автоматизації розрахунків на ЕОМ. На основі об’єднання отриманих технічних і програмних рішень розроблено діагностичний комплекс контролю працездатності ізоляції (ДККПІ) РМ, рекомендований для подальшого впровадження в якості діагностичного обладнання для контролю ізоляції в розподільних мережах напругою 6-10 кВ енергопостачальних компаній.

Особистий внесок здобувача. В наукових роботах, опублікованих у співавторстві, автору дисертаційної роботи належить: в роботах [1, 3] – дослідження впливу параметрів ізоляції на струм в шунтувальному зв’язку, а також алгоритм програми визначення працездатності ізоляції РМ; в роботах [2, 6, 10] – комбінований метод визначення працездатності ізоляції, співвідношення для визначення умов працездатності ізоляції з врахуванням потужності втрат в ізоляції і струму в шунтувальному зв’язку, а також вдосконалення методу періодичного контролю параметрів ізоляції шляхом його пристосування для загального випадку несиметрії; в роботах [7, 8, 11, 12] – дослідження впливу на показники працездатності ізоляції активних провідностей ізоляції фаз мережі відносно землі для загального випадку їх несиметрії, ідея використання в якості границі працездатності ізоляції нормативної потужності втрат від струмів стікання на землю; в роботах [4, 5, 9] – метод неперервного контролю ізоляції окремих фаз, а також принципові схеми пристроїв неперервного і періодичного контролю ізоляції.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались: на міжнародних конференціях „Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (КДПУ, м. Кременчук, 2004-2006р. щорічно), „Трансформаторо-будування-2005” (м. Запоріжжя, 2005р.), „Контроль і управління в складних системах” (2 доповіді, ВНТУ, м. Вінниця, 2003 і 2005 рр.), “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2005” (м. Кривий Ріг, 2005р.), „Підвищення ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах” (ЛДТУ, м. Луцьк 2006р.), „Автоматика-2006” (ВНТУ, м. Вінниця, 2006р.)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 9 статей у фахових наукових журналах та збірниках і 3 у збірниках тез доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 106 найменувань та 3 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 189 сторінок, у тому числі 150 сторінок основного тексту, 57 рисунків та 10 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми дисертації, відзначено зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами кафедри електричних станцій і систем Вінницького національного 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 розглянуто причини та характер виникнення пошкоджень в ізоляції. Особливу увагу приділено фізичним процесам, що відбуваються в діелектриках для визначення основних причин зміни технічного стану ізоляторів. Встановлено, що пошкодження ізоляторів проявляється у вигляді збільшення поверхневої і об’ємної провідностей матеріалу діелектрика (скла чи порцеляни), що призводять до появи струмів витоку по поверхні чи по тілу діелектрика. Їх величини значною мірою залежать від ступеню і виду забруднення на поверхні ізолятора (найнесприятливіші види забруднень – розчинні солі), а нерівномірність забруднення призводить до виникнення неоднорідності у розподілі падіння напруги вздовж поверхні ізолятора і виникнення часткових розрядів. Також під час гідролізу у склі може відбуватися процес іонного витоку лугів з матеріалу, що негативно відображається на механічній міцності скла і може в кінцевому рахунку призвести до його руйнування.

Виконано збір і обробку статистичних даних причин виникнення пошкоджень обладнання в РМ ВАТ „АК Вінницяобленерго” за 2005р. Згідно зібраних даних на пошкодження ізоляції повітряних РМ припадає найбільша частка – 37% від усіх видів пошкоджень. Отже, зібрані статистичні дані підтвердили той факт, що найбільш поширеним видом пошкоджень в розподільних мережах 6-10 кВ є пошкодження ізоляції відносно землі (до 70% від усіх видів пошкоджень).

При аналізі процесів зміни технічного стану ізоляції відносно землі встановлено, що для їх повного і якісного розуміння необхідно враховувати одночасний перебіг двох процесів – дію вологи і забруднень на поверхні ізоляторів (проявляється у вигляді симетричного зниження активного опору ізоляції фаз відносно землі) та появу шунтувальних зв’язків із землею (проявляється у вигляді стрибкоподібної зміни активного опору ізоляції окремих фаз). Також слід зауважити, що не існує чітких норм для обмеження зміни активного опору ізоляції фаз мережі відносно землі. Обмеження на зміну даного параметру є необхідними для визначення умов працездатності ізоляції. Тому була поставлена задача визначення умов працездатності ізоляції, а також розробки принципу і методу визначення працездатності ізоляції РМ відносно землі.

Проведено аналіз відомих методів контролю ізоляції. Встановлено, що методи періодичного контролю ізоляції, що використовуються в рамках регламентної системи обслуговування обладнання РМ, мають суттєві недоліки і не дозволяють виявляти пошкодження ізоляції на ранніх стадіях їх розвитку, а рекомендоване випробування підвищеною напругою часто призводить до незворотних наслідків і руйнування ізоляції РМ. Методи періодичного контролю, основані на включенні в мережу відносно землі додаткової провідності, мають ряд переваг, зокрема можливість проведення контролю параметрів ізоляції окремих фаз, достатню чутливість до зміни контрольованих показників, відносно малу похибку вимірювань. Але при цьому виникають значні проблеми при їх технічній реалізації, а також проблеми, пов’язані із зміною режиму роботи нейтралі РМ під час вимірювань. Більшість методів неперервного контролю мають низьку чутливість і велику похибку, що не дозволяє виявляти пошкодження ізоляції на ранніх стадіях його розвитку. Тому було поставлено задачу розробки методу і пристрою контролю параметрів ізоляції, який має володіти достатньою чутливістю для виявлення пошкоджень на ранніх стадіях їх розвитку.

У другому розділі визначені критерії для вибору показників працездатності ізоляції, в якості яких використовуються електробезпека і економічний критерій мінімуму втрат електроенергії в ізоляції РМ.

Оскільки основною мірою економічності роботи електричних мереж є втрати при передачі електроенергії, а миттєвою характеристикою втрат електроенергії є їх потужність, тому потужність втрат електроенергії від струмів стікання на землю можна обґрунтовано вважати показником працездатності ізоляції, що відображає економічність функціонування ізоляції РМ.

В загальному випадку активну потужність втрат від струмів стікання на землю визначають, як

, (1)

де UA, UB, UC – відповідно, діючі значення напруг фаз мережі відносно землі; ga, gb, gc – активні провідності ізоляції фаз мережі відносно землі.

Границею працездатності ізоляції слід вважати нормативну потужність втрат від струмів стікання на землю , що розраховується по спеціальній методиці (нормативний документ Міністерства палива та енергетики України для формування нормативної характеристики технологічних витрат електроенергії енергопостачальними компаніями), виходячи із технічних даних про мережу, таких як тип (ПЛ чи КЛ), загальна довжина L мережі та клас напруги.

Отже, умову працездатності ізоляції, виходячи з економічного критерію мінімуму втрат електроенергії, можна записати наступним чином

. (2)

Згідно із згаданою вище методикою, виділяються декілька станів навколишнього середовища, для яких були проведені дослідження і отримані дані для розрахунку нормативної потужності втрат в ізоляції. Це такі: дощ, мокрий сніг, морось (вологість – 100%); туман (вологість 80-100%); роса, погода без опадів (вологість – 80% і нижче). Тому, для визначення працездатності ізоляції РМ потрібно спочатку визначити нормативну потужність втрат в ізоляції для всіх трьох станів навколишнього середовища, а потім порівнювати фактичну величину потужності втрат в ізоляції з нормативною для відповідного рівня вологості навколишнього середовища, який необхідно контролювати.

Для отримання показника працездатності ізоляції, виходячи з критерію електробезпеки, розроблено спеціальну модель розвитку пошкодження на основі аналізу найбільш небезпечного випадку перебування людини в місці виникнення пошкодження ізоляції. З цією метою проводилось моделювання виникнення пошкодження ізоляції в мережі (по черзі у кожній з фаз) відносно землі. При цьому розглядалось утворення шунтувального зв’язку, в якому протікає струм замикання на землю, що викликає окислення і підгоряння елементів заземлюючого пристрою та спікання ґрунту в місці його стікання на землю через заземлення. Це призводить до виникнення додаткового перехідного опору в ланцюгах заземлення та появи на заземлених металевих частинах обладнання (корпуси, арматура) потенціалу. Величина додаткового опору в заземленні обмежується для моделювання найбільш несприятливого випадку дії струму стікання на землю на організм людини. В результаті проведених досліджень встановлено, що обґрунтованим можна вважати обмеження додаткового опору в заземленні значенням у 100 Ом.

На наступному етапі моделювався дотик людини до заземлених частин електроустановки для найбільш несприятливого випадку, коли пошкодження ізоляції виникає одночасно в 2-ох різних фазах мережі. Внаслідок дотику до електроустановки або попадання в зону розтікання струму замикання на землю по тілу людини починає протікати струм, який згідно вимог до електробезпеки не повинен перевищувати 6 мА (згідно вимог ГОСТ 12.1038-82). Умови працездатності ізоляції для запропонованої моделі виникнення пошкодження мають вигляд

, (3)

де gшА – активна провідність шунтувального зв’язку при виникненні пошкодження в фазі А; gл – провідність тіла людини, що нормується згідно положень ГОСТ 12.1038-82); g3 – провідність заземлення, що визначається як , де Rз – номінальний опір заземлюючого пристрою, який для даного типу мереж не повинен перевищувати 10 Ом; rд – додатковий перехідний опір заземлення. Активні провідності шунтувальних зв’язків для різних варіантів їх виникнення у відповідних фазах gшA-, gшВ, gшC можна визначити шляхом вимірювання активного опору ізоляції фаз відносно землі в початковий момент часу (rA0, rB0, rC0), наприклад, після введення в експлуатацію електроустановки або її поточного ремонту, а також визначення цих опорів в любий момент часу (rA, rB, rC) і подальшого їх порівняння з початковими значеннями за формулами:

; ; , (4)

де rs – симетричне зниження активного опору ізоляції відносно землі внаслідок дії вологи навколишнього середовища на поверхню ізоляторів, яке можна визначити як мінімальне зниження опору ізоляції відносно землі в одній із фаз мережі (вважається, що виникнення шунтувального зв’язку одночасно може відбуватись максимум у двох фазах):

. (5)

В результаті проведених досліджень отримано новий принцип визначення працездатності ізоляції РМ відносно землі. Його суть полягає в тому, що в якості показників працездатності ізоляції використовується потужність втрат від струмів стікання на землю для реалізації економічного критерію мінімуму втрат електроенергії і струм в шунтувальному зв’язку, для реалізації критерію електробезпеки.

На основі запропонованого принципу розроблено комбінований метод визначення працездатності ізоляції РМ відносно землі. Математична модель для визначення працездатності ізоляції має вигляд сукупності залежностей показників працездатності від параметрів ізоляції РМ відносно землі:

(6)

(7)

де Uf – фазна напруга розподільної мережі; щ – кутова частота напруги РМ; Са, Сb, Cc – ємності фаз мережі відносно землі; ga, gb, gc – активні провідності фаз мережі відносно землі; BL – сумарна реактивна провідність всіх індуктивних елементів, підключених до РМ відносно землі (трансформаторів напруги контролю ізоляції типу 3НОМ і НТМИ, а також дугогасних реакторів ДГР і пристроїв для резонансного заземлення нейтралі).

Адекватність запропонованої математичної моделі перевірено шляхом проведення обчислювального експерименту. Експеримент полягав у порівнянні результатів розрахунку струмів у шунтувальних зв’язках і потужностей втрат за формулами (6) і (7) з допомогою пакету прикладних програм MathCAD з результатами вимірювання даних показників при моделюванні електричних кіл і процесів у них з допомогою програми-емулятора Workbench.

Проведено дослідження параметрів, що впливають на працездатність ізоляції. При цьому заступна схема мережі для визначення працездатності ізоляції розглядалась у вигляді чотириполюсника з вхідним сигналом – фазними напругами РМ, і вихідним – показниками працездатності ізоляції. В якості діагностичних показників вибрано активні провідності фаз мережі відносно землі. Їх вплив на показники працездатності ізоляції досліджено шляхом застосування методу визначення норми вектора відносних чутливостей. При цьому проведено дослідження чутливості коренів (полюсів) характеристичного рівняння, складеного на основі передатної функції чотириполюсника, до зміни діагностичних показників. В результаті встановлено, що вплив активних провідностей ізоляції відносно землі на показники працездатності для усіх трьох фаз є визначальним, і ні одним із діагностичних показників не можна знехтувати.

Досліджено ефективність запропонованого комбінованого методу визначення працездатності ізоляції РМ шляхом моделювання у MathCAD всієї множини зміни активних провідностей фаз мережі відносно землі і аналізу отриманих залежностей показників працездатності ізоляції від діагностичних показників, що дало можливість визначити правило розмежування множини станів ізоляції на працездатний і непрацездатний. Дослідження проводилось для конкретної розподільної мережі. При цьому допускалось, що пошкодження відбувається максимум у двох фазах мережі (наприклад, А і В) з різною інтенсивністю розвитку при незмінних ємностях фаз мережі відносно землі. Це дозволило побудувати залежності показників працездатності ізоляції від обернених величин діагностичних показників у тривимірному просторі у вигляді поверхонь ІзА=F(Ra, Rb), ІзВ=F(Ra, Rb) (див. рис.1) та = F(Ra, Rb) (див. рис.2).

Рис.1. Суміщені поверхні залежностей струмів через шунтувальний зв’язок і тіло людини у фазах, де виникають пошкодження, від обернених величин діагностичних показників; де 1 – поверхня залежності струму ІзА від опорів Ra і Rb (прозора), 2 – поверхня залежності струму ІзВ від опорів Ra і Rb (суцільна), 3 – границя працездатності ізоляції)

Рис.2. Поверхня залежності потужності втрат в ізоляції від обернених величин діагностичних показників; де 1 – границя працездатності ізоляції; 2 – поверхня залежності Різ від опорів Ra і Rb

Аналіз отриманих поверхонь (рис.1. і 2) показав, що застосування умов працездатності ізоляції (2) і (3) є ефективним способом обмеження множини працездатних станів ізоляції. Це дозволило зробити висновок про загальну ефективність запропонованого комбінованого методу визначення працездатності ізоляції.

Додатково було встановлено, що використання умов працездатності (2) є більш доцільним для обмеження симетричного зниження опору ізоляції фаз мережі відносно землі, яке проявляється при одночасній дії вологи навколишнього середовища і забруднень на поверхні ізоляторів. Також встановлено, що умова працездатності (3) дозволяє обмежити несиметрію активних провідностей фаз мережі відносно землі, що проявляється при виникненні пошкоджень ізоляції в фазах РМ у вигляді шунтувальних зв’язків із землею.

Таким чином, комбіноване використання умов працездатності (2) і (3) дозволяє обмежити множину працездатних станів ізоляції при врахуванні усіх видів погіршення технічного стану ізоляції РМ відносно землі (як забруднення поверхні ізоляторів, так і виникнення в окремих фазах мережі шунтувальних зв’язків із землею).

Визначено похибку комбінованого методу визначення працездатності ізоляції РМ відносно землі. Максимальна методологічна похибка при введенні допущень, згідно з якими ємності ізоляції окремих фаз мережі відносно землі симетричні і залишаються незмінними, складає 3.5%. Шляхом моделювання симетричного збільшення загальної ємності мережі відносно землі (спостерігається при зволожені поверхні ізоляторів), було встановлено, що даний процес практично не впливає на результати розрахунків показників працездатності ізоляції.

У третьому розділі дисертації представлено результати розробки методів контролю параметрів ізоляції окремих фаз відносно землі.

Для формування основних вимог до методів контролю ізоляції проведено дослідження процесу пошкодження ізоляції та режимів роботи мережі, що виникають при цьому. В результаті встановлено, що дугові процеси, які відбуваються при появі пробоїв ізоляції на землю у формі дуги, що перемежається, призводять до виникнення значних перенапруг. Це в свою чергу прискорює процес пошкодження ізоляції і призводить до появи стійких замикань на землю.

Запропонований метод неперервного контролю ізоляції передбачає визначення параметрів ізоляції – активних провідностей фаз мережі відносно землі ga, gb, gc шляхом вимірювання напруг фаз мережі відносно землі UA, UB, UC і загального активного опору ізоляції відносно землі R0 при накладанні на мережу сигналу постійного струму. Активні провідності ізоляції окремих фаз мережі визначаються шляхом розв’язання системи нелінійних рівнянь (8) відносно ga, gb і gc.

(8)

де Кс – коефіцієнт несиметрії ємностей крайніх фаз відносно землі по відношенню до середньої (Кс=Cкр/Cсер для ПЛЕП не перевищує значення 1.05); R-0 – виміряне значення загального активного опору ізоляції мережі відносно землі; С0 – загальна ємність мережі відносно землі.

Також в третьому розділі представлено результати роботи над вдосконаленням існуючого методу періодичного контролю ізоляції окремих фаз, основаного на принципі зміщення нульової точки трикутника напруг на середину вектора лінійної напруги при включенні в мережу відносно землі зірочки провідностей, налагоджених у послідовний резонанс. Даний метод пристосовано для вимірювання параметрів ізоляції при загальному випадку їх несиметрії [10]. Вимірювання в зірочці провідностей при застосуванні даного методу запропоновано проводити з допомогою вольт-ампер-фазометра для відокремлення силових кіл від вимірювальних. Параметри ізоляції можна визначити, розв’язавши наступну систему рівнянь відносно параметрів ізоляції ga, gb, gc, Ca, Cb, Cc:

(9)

де I0A, I0B, I0C – виміряні значення струму в зірочці провідностей, ц0A, ц0B, ц0C – кути зміщення між струмом в зірочці І0 і відповідними напругами фаз мережі відносно землі; Uл – лінійна напруга розподільної мережі.

Визначення параметрів ізоляції для загального випадку їх несиметрії досягається за рахунок введення спеціальної методики проведення вимірювань, суть якої зводиться до того, що з допомогою почергового введення в фази мережі додаткової змінної ємності досягається ефект симетрування ємностей фаз мережі відносно землі. Тоді можна безпосередньо визначити gA, gB, gC і, далі відповідно Са, Сb, Cc на основі рівнянь системи (10).

У четвертому розділі дисертації представлено результати розробки технічної реалізації методу визначення працездатності ізоляції.

В основу технічної реалізації було покладено ідею створення діагностичного комплексу контролю працездатності ізоляції, який складається з пристрою неперервного контролю ізоляції (основна складова ДККПІ), пристрою періодичного контролю ізоляції (для підвищення вірогідності діагнозу), а також програмного забезпечення для обробки результатів вимірювань і визначення працездатності ізоляції.

Запропоновано два варіанти технічної реалізації пристрою неперервного контролю ізоляції. В першому випадку передбачається створення окремого пристрою контролю на базі термінального контролера ТК-16L (ЗАТ НПФ “Прорыв”, Росія). Згідно з іншим, більш економічним варіантом передбачається пристосування контролера мікропроцесорного лічильника SL-7000 Smart (фірма Шлюмберже, Франція) для задач контролю ізоляції шляхом модифікації його мікропрограми і підключення до лічильника через спеціальний периферійний контролер ПИК-24 (ЗАТ НПФ “Прорыв”, Росія) групи додаткових сенсорів. Розроблено принципову схему пристрою і вибрано основні елементи обладнання для його побудови (див. рис.3 а і б).

Рис. 3. Пристрій неперервного контролю працездатності ізоляції:

а) – принципова схема; б) – елементи пристрою

На рис.3: 1 – трансформатор напруги типу НТМИ або 3НОМ; 2 – мікропроцесорний лічильник SL7000 Smart або термінальний контролер ТК-16L; 3 – блок живлення для накладання постійного струму на мережу через первинну обмотку НТМИ; 4 – резистор на 1000 Ом для обмеження зниження опору кола накладання постійного струму; 5 – периферійний інтерфейсний контролер ПИК24 для зчитування даних з додаткових сенсорів контролю рівня вологості і опору кола накладання постійного струму R0 (на базі однокристального мікроконтролера PIC16C74); 6 – зовнішній сенсор вологості повітря навколишнього середовища; 7 – сенсор струму кола накладання постійного струму; 8 – сенсор напруги ділянки кола накладання постійного струму; 9 – сенсор змінного струму в нейтралі НТМИ; 10 – резонансний фільтр для заземлення нейтралі НТМИ з можливістю шунтування з допомогою рубильника QS (основний елемент –конденсатор B32834 (Epcos) ємністю 100 мкФ на напругу 1 кВ).

Параметри блоку живлення для накладання постійного струму за рахунок регулювання вихідної напруги випрямляча підібрані таким чином, щоб не створювати значних похибок вимірювання напруги із-за підмагнічування постійним струмом магнітної системи НТМИ (накладений постійний струм не перевищує значень 20-30 мА).

Функції пристрою періодичного контролю ізоляції, як складової частини ДККПІ, полягають в уточненні результатів неперервного контролю ізоляції, а також у вимірюванні ємності фаз мережі відносно землі, що не передбачено в системі неперервного контролю, але є необхідним для визначення параметрів ізоляції (активних провідностей фаз мережі відносно землі) на ЕОМ і обчислення показників працездатності.

Схема пристрою зображена на рис.4.

Рис. 4. Принципова схема пристрою періодичного контролю працездатності ізоляції РМ відносно землі

На рис.4: 1 – вимірювальний трансформатор напруги, 2 – ВАФ для вимірювання величини струму і кута його зміщення відносно вектора лінійної напруги, 3 – елементи зірочки провідностей для створення зміщення нейтралі, 4 – вимикачі (рубильники) для попарного вмикання в мережу ємностей С1, С2 і С3, 5 – запобіжники, 6 – блок перемикачів для підключення додаткової змінної ємності, 7 – додаткова змінна ємність для компенсації несиметрії ємностей фаз мережі відносно землі, 8 – електростатичні кіловольтметри для вимірювання напруг фаз мережі відносно землі.

Для зручності побудови і впровадження було вибрано таке конструктивне виконання, при якому пристрій умовно розділено на дві частини: стаціонарна (зірочка провідностей, що підключається у мережу по спеціальному алгоритму на час проведення вимірювань) і мобільна (звичайний електронний вольт-ампер-фазометр). Стаціонарна частина має встановлюватись на підстанціях 110/10 і 35/10 кВ енергосистеми, а мобільна (ВАФ) буде використовуватись обслуговуючим персоналом під час об’їздів підстанцій з визначеною умовами експлуатації періодичністю.

З допомогою ВАФу вимірюють струм у нижньому промені зірочки І0 і його кут зміщення відносно лінійної напруги UBA (враховано трансформацію даної напруги і її поворот при цьому на 1800). Вимикачі (рубильники) Q1, Q2, Q3 замикаються попарно: при вимірюванні у фазі А замикаються Q2 і Q3, у фазі В – Q1 і Q3, у фазі С – Q1 і Q2.

Для об’єднання функціональних можливостей пристрою з обчислювальними можливостями сучасних ЕОМ розроблено відповідне програмне забезпечення – спеціальну програму CISC.exe, блок-схему алгоритму якої представлено на рис. 5.

Рис. 5. Блок-схема алгоритму програми контролю працездатності ізоляції

На рис.5.: 1 – завдання режиму роботи програми; 2 – перевірка умови заданого режиму (НП ДККПІ чи ПП ДККПІ); 3 – введення початкових даних для режиму ПП ДККПІ; 4 – введення результатів вимірювань ПП ДККПІ; 5 – підпрограма розрахунку параметрів ізоляції за даними вимірювань; 6 – підпрограма визначення показників працездатності; 7 – видача результатів роботи програми (режим ПП ДККПІ); 8 – введення початкових даних для режиму НП ДККПІ; 9 – підпрограма завантаження масиву даних з архіву пристрою неперервного контролю; 10 – цикл обробки позицій погодинного архіву; 11 – підпрограма визначення параметрів ізоляції для І-ї позиції архіву вимірювань; 12 – підпрограма визначення показників працездатності для І-ї позиції архіву; 13 – видача результатів роботи програми у вигляді їх експорту у файл MS Excel для побудови погодинних графіків зміни показників працездатності.

Результатом роботи програми в режимі обробки даних архіву вимірювань пристрою НП ДККПІ є погодинний графік зміни показників працездатності ізоляції, що представлений у вигляді діаграм MS Excel на рис. 6 і 7.

Рис. 6. Динаміка зміни потужності втрат в ізоляції

Рис. 7. Динаміка зміни струму в шунтувальному зв’язку для різних фаз мережі

При аналізі отриманих графіків можна визначити загальні тенденції зміни технічного стану ізоляції і визначати її працездатність.

Розроблено методику розрахунку техніко-економічного ефекту від впровадження ДККПІ в межах одного структурного підрозділу енергопостачальної компанії – районного підприємства електричних мереж, яке обслуговує розподільну мережу 10 кВ.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну проблему розвитку теорії побудови комбінованих методів діагностування з метою створення діагностичного забезпечення системи керування індивідуальною надійністю РМ напругою 6-10 кВ під час їх експлуатації і ремонту. Розвиток теорії полягає у визначенні закономірностей побудови комбінованої системи контролю працездатності ізоляції для РМ напругою 6-10 кВ, що функціонують в режимі ізольованої нейтралі. Впровадження діагностичного комплексу контролю працездатності ізоляції підвищує рівень надійності, безпеки і ефективності експлуатації обладнання РМ.

Проведене в дисертаційній роботі дослідження дозволило зробити наступні висновки щодо результатів роботи:

1. Побудова комбінованої системи діагностування передбачає узгодження та агрегацію системи неперервного контролю працездатності РМ з системою, що періодично повторює діагностичні цикли. Процедуру діагностування доцільно будувати на основі методу послідовного аналізу, коли спочатку шляхом неперервного контролю узагальнюючого параметру отримують інформацію про технічний стан РМ; за допомогою більш точних методів уточнюють діагноз; шляхом обходу, огляду та вимірювання перевіряють технічний стан апріорно визначених елементів РМ для даного циклу діагностування.

2. Доведено, що в якості інтегрального діагностичного параметра технічного стану ізоляції РМ доцільно використовувати динамічну характеристику активного опору ізоляції всієї мережі. Показано, що зміна технічного стану ізоляції окремих елементів РМ зумовлена утворенням шунтувальних зв’язків між струмоведучою частиною і землею. Під дією навколишнього середовища і перенапруг змінюється активний опір шунтувальних зв’язків. Контролюючи динамічну характеристику активного опору ізоляції мережі відносно землі можна виявити пошкодження ізоляції неруйнівними методами на ранній стадії їх розвитку. Існуючі методи контролю не дозволяють відобразити динамічну характеристику активного опору ізоляції мережі. Не нормується і його величина, тому існує необхідність побудови та аналізу діагностичної моделі для визначення умов працездатності ізоляції.

3. Вперше запропоновано принцип визначення працездатності ізоляції РМ відносно землі, який ґрунтується на використанні критеріїв електробезпеки і мінімуму втрат електроенергії в ізоляції від струмів стікання на землю.

4. Визначено умови працездатності ізоляції РМ відносно землі у вигляді обмежень на зміну показників працездатності ізоляції, узгоджених із нормативними документами і стандартами. Розроблено математичну модель для визначення працездатності ізоляції у вигляді залежностей показників працездатності від параметрів ізоляції відносно землі. При аналізі її адекватності встановлено, що введені при формуванні моделі допущення призводять до виникнення похибки методу до 3.5%.

5. Розроблено метод визначення параметрів ізоляції фази мережі відносно землі шляхом неперервного контролю загального активного опору ізоляції і напруг фаз відносно землі при накладанні на мережу сигналу постійного струму і обробки результатів з допомогою спеціальної математичної моделі, яка подається у вигляді системи рівнянь, що відображають залежність параметрів ізоляції від контрольованих показників. Застосування даного методу підвищує чутливість контролю, а тому забезпечує виявлення пошкоджень ізоляції відносно землі на ранніх стадіях їх розвитку.

6. Для підвищення вірогідності діагнозу технічного стану ізоляції запропоновано використовувати метод періодичного контролю параметрів ізоляції фази мережі відносно землі на основі принципу зміщення нульової точки трикутника напруг на середину вектора лінійної напруги. Це досягається шляхом включення в мережу відносно землі зірочки провідностей, параметри яких налагоджені у послідовний резонанс. Запропонований метод доповнено способом врахування несиметрії ємностей фаз мережі відносно землі. Розроблено спосіб технічної реалізації даного методу, пристосований до сучасних умов проведення вимірювань в діючих РМ. Особливістю проведення вимірювань в даному методі є використання опорної напруги, в якості якої виступає лінійна напруга мережі, а усі вимірювання проводяться з допомогою стандартних вимірювальних засобів (наприклад, електронного вольт-ампер-фазометра).

7. Розроблено принципи побудови, структуру і алгоритм функціонування діагностичного комплексу контролю працездатності ізоляції, який складається з підсистем неперервного і періодичного контролю, а також алгоритмічного програмного забезпечення, яке використовується для обробки даних вимірювань і визначення працездатності ізоляції РМ відносно землі на основі мікропроцесора.

8. Впровадження діагностичного комплексу (ДК) контролю працездатності ізоляції в РМ напругою 6-10 кВ підвищує рівень надійності і безпеки експлуатації за рахунок забезпечення експлуатаційного персоналу інформацією для вчасного проведення обслуговування, що запобігає аварійним відключенням і попаданню людей під дію небезпечних струмів замикання на землю. Можливим стає усунення багатьох недоліків експлуатації обладнання повітряних РМ, зокрема, неякісної розчистки охоронної зони ПЛЕП, незадовільного контролю за станом ізоляторів на трансформаторних підстанціях і опорах ПЛ і т.п. Економічний ефект від впровадження розробленого ДК, розрахований для окремого структурного підрозділу енергопостачальної компанії (підприємство районних електричних мереж, 12 підстанцій 110/10 кВ, 60 фідерів 10 кВ), складає 418 тис. грн, а термін окупності – 6 місяців.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кутін В.М., Матвієнко С.В. Контроль провідності ізоляції фази відносно землі в трифазних системах з ізольованою нейтраллю // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.– 2002.– №2.– С.60-65.

2. Кутін В.М., Матвієнко С.В., Луцяк В.В. Визначення умов працездатності ізоляції в розподільних мережах напругою 6-10 кВ // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. праць.– Кременчук, 2003.– №6(23).– С.34-37.

3. Кутін В.М., Свиридов М.П., Матвієнко С.В. Проблеми діагностування ізоляції повітряних ліній напругою 6-10 кВ // Вісник Вінницького політехнічного інституту.– 2003.– №6.– С.238-240.

4. Кутін В.М., Матвієнко С.В., Луцяк В.В. Керування технічним станом електротехнічних комплексів в процесі їх експлуатації // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. праць.– Кременчук, 2005.– №3(32).– С.152-155.

5. Кутін В.М., Матвієнко С.В. Система контролю працездатності ізоляції розподільної мережі напругою 6-10 кВ // Вісник Криворізького технічного університету: Зб. наук. праць. – Кривий Ріг, 2005.– №7.– С.123-128.

6. Кутін В.М., Матвієнко С.В., Визначення технічного стану ізоляції розподільних мереж напругою 6-10 кВ з урахування впливу несиметрії параметрів ізоляції відносно землі // Вісник Вінницького політехнічного інституту.– 2005.– №6.– С.142-145.

7. Кутін В.М., Матвієнко С.В. Вибір сукупності діагностичних показників для оцінки працездатності ізоляції відносно землі