автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Диагностика отказов распределительных электрических сетей напряжением 6-10 кВ сельскохозяйственного назначения

На правах рукописи

Султанов Георгий Ахмедович

Диагностика отказов распределительных электрических сетей напряжением 6-10 кВ сельскохозяйственного назначения

Специальность 05.20.02-электрификация сель скохозяйственного производства

Научный руководитель доктор технических наук профессор В.П.Чайкин

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата

ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Краснодар , 1999г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................................................4

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ..................................................................................................................................10

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ........................................................................................................12

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОИСКА ОТКАЗОВ В КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ..........................................................................................................................................14

1.1. Структуры кабельных сетей и проблемы их эксплуатации................................................................14

1.2. Режимы работы нейтрали кабельных сетей и их влияние на отказы...............................................16

1.3. Анализ методов и средств поиска отказов в кабельных линиях электропередачи......................17

1.4. Схема замещения кабельной сети, основные аналитические оценки и анализ процессов сопровождения отказов............................................................................................................................20

Выводы.................................................................................................................................................................25

РАЗДЕЛ II. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НАД ТРАССОЙ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ...............................................................................................26

2.1. Формирование результирующего электромагнитного поля расстекающимися в месте замыкания токами в земле.......................................................................................................................26

2.2. Анализ спектра частот...............................................................................................................................32

2.3. Оценки информационных признаков электромагнитного поля в местах отказов.....................42

2.4. Экстремальные переходы на спектре частот........................................................................................44

ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................................50

РАЗДЕЛ III. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОИСКА ОТКАЗОВ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НА НАПРЯЖЕНИИ И ЧАСТОТЕ СЕТИ.........................................................................................................52

3.1. Оценка амплитуднозависимых фазовых сдвигов результирующего поля вдоль трасс прокладки.....................................................................................................................................................52

3.2. Разработка абсолютного метода поиска отказов на напряжении и частоте сети.......................56

3.3 Абсолютный метод поиска отказов с учетом неустойчивости колебаний на спектре частот .. 60 3.4.0бщий характер движения процессов в контуре нулевой последовательности при наличии

отказа............................................................................................................................................................63

Выводы.................................................................................................................................................................67

РАЗДЕЛ IV. УСКОРЕННАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ОТКАЗОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.....................................................................................................68

4.1. Информационные признаки и условия однозначной разрешимости задачи на основе анализа

характера амплитудной характеристики тока в месте отказа........................................................68

4.2. Оценки влияния частоты колебаний на определение места отказа................................................72

4.3. Построение алгоритма по поиску отказа..............................................................................................75

4.4. Физическая модель и экспериментальные исследования.................................................................79

Выводы.................................................................................................................................................................86

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................................................88

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................................................................90

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................................................

Введение

Развитие науки и техники было и остается могучим средством вооружения труда, создания достойных человека условий проживания, деятельности, творчества. Прикладные исследования и инженерные разработки напрямую связаны с интересами жизнедеятельности человека, в общем генетически настроенным действовать наилучшим образом.

Существующие системы электроснабжения, или мировая паутина электрических сетей, в процессе эксплуатации подвержена воздействиям, порождающим отказы. Наиболее массовые отказы представляют собой отказы изоляции, при этом от общего числа отказов 78% составляют отказы изоляции, материалов, среда, в которой работают энергоустановки. Эти обстоятельства влекут за собой неизбежность отключений, недоотпуск электрической энергии, значительные трудозатраты на восстановление исходного состояния. Решение задач этой проблемы восходит к необходимости анализа основных динамических характеристик систем электроснабжения (СЭС) и учета реальных особенностей эксплуатации. Одним из направлений решения задач по повышению эффективности сетей является развитие средств диагностики, ускоренной обработки информации о быстропротекающих процессах, сопровождающих отказы. Важным и актуальным является изучение разносторонних физических проявлений -следствий локального рассеяния энергии при отказах. Мир нелинейных проявлений здесь весьма обширен, поскольку переходные процессы в основном порождаются ударными значениями физических величин и скоротечностью их протекания. В защищаемой работе исследуется, развивается аппарат современных функционально-аналитических и функционально-топологических методов для решения задач по анализу устойчивости

вынужденных периодических колебаний, автоколебаний, феррорезонансных проявлений, исследований роли малых параметров и построении усредненных уравнений, анализ численных схем, выделении особых режимов функционирования и изучение их свойств. Оказывается, что диагностика систем в режиме функционирования образует почти белое пятно, хотя с их анализом связаны различные важные задачи. Реализация программы разрешения практических задач потребовала преодоления многих трудностей. Обнаружились неожиданные и необычные связи отказов со стохастическими процессами, приходится выделять и изучать специальный класс дифференциальных уравнений, использовать свойства нового типа разрывных нелинейных операторов. Многие ясные из эвристических соображений и подтвержденные экспериментальными вычислениями факты длительное время ждали строгих обоснований. Основные позиции общей программы работы сейчас реализованы.

Построение приближенных решений дифференциальных уравнений описания исследуемых физических систем с периодическими функциями было широко применено на основе асимптотических методов, использующих схемы усреднения. Ясно, что асимптотические методы являются одним из основных средств конструктивного решения сложных задач, формализованных на языке уравнений.

В исследовании задачи, представленной в работе, проблемным представляется относительная малость различных воздействий и факторов, в частности, переходное сопротивление в месте отказа. Это обстоятельство приближает задачу к одной из известных групп метода малого параметра: регулярных, сингулярных возмущений и усреднения.

Приближенные исследования регулярно возмущенных колебательных систем основываются на работах А. Пуанкаре, A.M. Ляпунова. Они связаны с построением

периодических решений (по целым или дробным степеням малого параметра или последовательным приближениям) и исследованиям их устойчивости.

Наряду с развитием указанного подхода интенсивно развивались точные методы исследования устойчивости, основанные на аппарате A.M. Ляпунова (H.H. Красовский, Н.Г. Четаев и др.)

Одним из наиболее широко применяемых методов асимптотического исследования нелинейных колебаний является принцип усреднения, в основе которого лежит работы Н.М. Крылова, H.H. Боголюбова, Ю.А. Митропольского, В.М. Волосова. В настоящее время к этому принципу относят ряд методов разделения медленных и быстрых процессов посредством преобразований в фазовом пространстве, методы связанные с понятием интегральных многообразий и др.

Метод усреднения и родственные ему методы получили дальнейшее развитие и нашли применение при исследовании сложных задач колебаний, устойчивости (М.А. Айзерман, Ф.Р. Гантмахер, В.В. Солодовников и др.)

Основу методов сингулярных возмущений составляют работы по асимптотике решений дифференциальных уравнений, содержащих малые параметры при производных, выполненные А.Н. Тихоновым, Л.С. Понтрягиным, и др., и исследования по релаксационным колебаниям, выполненные A.A. Дородницыным, Е. Ф. Мищенко, Н.Х. Розовым и др. Следует отметить, что к сингулярно возмущенным системам уравнений приводят исследования в случае быстрых переходных процессов в СЭС, быстроосциллирующих процессов (замыканий через дугу), релаксационных колебаний.

В применении к нелинейным колебаниям в исследуемых системах существенные результаты получены с использованием основ аналитических и качественных методов науки. Качественные методы теории дифференциальных

уравнений позволяют определить общие свойства проявлений динамики исследуемых процессов, а аналитические получить выражения связи фазовых координат, спектров сопровождения отказов и переменных параметров системы.

Актуальность

Обусловлена требованиями повышения эффективности работы сетей, дальнейшего углубления физических представлений о природе исследуемых возмущений, сопровождающих отказы с трудновыявимостью наиболее массового вида отказов.

Состояние решаемой научной задачи

В обзорах, приводимых в работах H.H. Белякова, Р. Вильгейма, А. Уотерса, Ф.А. Лихачева, И.М. Сироты, А.П. Трухана, приведен анализ основных направлений поисков решений ряда научно-технических задач проблем эксплуатации электрических сетей при наличии устойчивых повреждений изоляции.

В работах А.И. Долгинова, И.М. Сироты освещена часть аспектов построения решений уравнений динамики СЭС на основе аналитических разложений периодических составляющих по степеням малого параметра, с последующим переходом в приложениях к решению комлекса практических задач. Методы исследования процессов в многоконтурных колебательных системах во временной области освещены в работах В.М. Старжинского, Е. Филиппова, Т. Хаяси, методы структурных преобразований в работах A.A. Андронова, Ф.П. Жаркова, В.А. Соколова. Методы усреднения в работах В. Н. Арнольда, Л.П. Бессонова, В.М. Волосова, асимптотические методы в работах Н.Н.Боголюбова, А.Д.Брюно, Ю.А. Митропольского и др.

Во многих случаях, особенно когда требуется преодоление барьеров размерностей, формальных и неформальных преоброзований, значительные результаты

могут быть получены с помощью качественных методов исследования дифференциальных уравнений (А. А. Андронов, H.H. Баутин, Е.А. Леонтович, А.М.Заездный, Т. Хаяси ).

Цель работы и задачи исследований можно сжато сформулировать в том, что строится новый метод диагностики в условиях сохранения работоспособности СЭС. При этом решаются следующие задачи:

-проведен анализ существующих методов поиска отказов в сложных многосвязных структурах СЭС и инструментального набора по их реализации;

-разработаны математические методы связи мгновенных значений параметров и величин режима в условиях наличия отказа;

-получены уравнения состояния СЭС в формах, позволяющих исследовать пространственную структуру результирующего электромагнитного поля на трассах линий электропередачи аналитическими методами, методами математического и электродинамического моделирования, а также экспериментами в действующих СЭС;

-разработан метод когерентного непрерывного ускоренного анализа измеримых информационных признаков отказа на фоне активных и пассивных помех;

-разработан метод решения уравнения состояния для установившихся режимов сопровождения исследуемого отказа на фоне наличие активных и пассивных помех;

-разработан и испытан в действующих СЭС физический вариант переносного устройства, реализующего регуляризирующие алгоритмы обработки априорной информации для случая решаемой некорректной задачи.

С позиций электромагнитного воздействия на технические и биологические объекты по решению задач электромагнитной безопасности и электромагнитной экологии ожидается применение результатов работы:

-для разведки трасс при прокладке коммуникаций в сложных условиях развитых инфраструктур объектов различного назначения;

-оценки предельно-допустимых уровней загрязненности, насыщения окружающей среды электромагнитными полями (рабочих мест операторов программно технических комплексов, электрического транспорта, комплексов АПК);

-оценок значений носителей амплитуд энергетических спектров при электромагнитной обработке посевного материала, биологических объектов.

Методика исследования. При решении поставленной задачи исследования проводились асимптотическими методами, путем сведения исходных дифференциальных уравнений к линейным с переменными коэффициентами, линеаризацией исходных нелинейных уравнений, методами графоаналитического представления областей существования колебаний, инвариантных к влиянию параметров СЭС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 .Разработана новая методика расчета и анализа сложных, многосвязных нелинейных цепей с учетом вариации параметров, порождающих на практике отказы.

2.Теоретически и экспериментально доказано, что дискретный уровень сложных колебаний на динамическом диапазоне отображает движение процессов локального рассеяния энергии.

3.Построен новый метод технической диагностики - когерентный метод непрерывного ускоренного анализа пространственной структуры результирующего электромагнитного поля на трассах линий электропередачи.

4.Доказана возможность поиска отказов на основе разработанных регуляризирующих алгоритмов по обработке априорной информации, представляющей на фоне активных и пассивных помех нестабильные нелинейные колебания.

5.Получены аналитические выражения для решения задачи выявления закономерностей проявлений измеримых информационных признаков отказов на фоне активных и пассивных помех.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель, решаемые в работе задачи и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрены некоторые вопросы характера движения физических процессов в контуре замкнувшей на землю фазы. Получены уравнения электродинамического равновесия для базисной цепи. Отказы сопровождаются сложными процессами, особенно при значениях сопротивления изоляции, меняющихся в широком диапазоне. Сложное вхождение колебаний в области неустойчивости порождает перенапряжения, автоколебания, феррорезонансные процессы. Широкий спектр частот колебаний, имеющих место в контуре нулевой последовательности СЭС, рассматривается во втором разделе диссертационной работы.

Как известно, уравнения описания нелинейных процессов исследователями приводятся к стандартным формам, при этом замена переменных в каждом конкретном варианте позволяет сузить либо расширить размерность и решение.

Если интуитивное чувство математика, физика или инженера при изучении свойств решений дифференциальных уравнений позволяет определить какие члены не оказывают существенного влияния, то при изучении сингулярных возмущений, порождаемых электрической дугой, интуиция отказывается помогать и физику, и

математику, и инженеру. Не ясно, чем пренебрегать, хотя в задаче имеются малые или большие параметры.

Во втором разделе основополагающими являются три идеи, развитые в классических работах по исследованию колебаний в нелинейных многосвязных системах. Первая идея - это переход в пространство большей размерности с помощью введения дополнительных (регуляризирующих) независимых переменных.

Вторая идея состоит в том, что сингулярную зависимость решения от параметра можно описать заранее с помощью спектра некоторого оператора. И третья идея состоит в поиске точных описаний классов функций, в которых следует решать интегральные задачи.

Второй раздел позволил проявить сущность решения задачи на основе анализа в пространстве состояния характера движения процессов.

В третьем разделе развивается идея создания опорной системы координат, относительно которой строятся оценки спектра, ускоренной обработки информационных, измеримых свойств исследуемого процесса, Ясно, что обмен колебательной энергии порождает дисперсию, сложное вхождение спек