автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Исследование и разработка импульсного метода диагностики силовых кабелей

ВВЕДЕНИЕ.

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИСКАЖЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА КОНЕЧНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ПО КОАКСИАЛЬНОМУ КАБЕЛЮ

1Л. Уравнения коаксиального кабеля и его волновые параметры . 9 12. Моделирование прямоугольного импульса конечной длительности.

1.3. Методика оценки искажения прямоугольного импульса бесконечной длительности при его распространении по каналу жила-оболочка.

1.3.1. Применение частотного метода.

1.3.2. Метод, основанный на аппроксимации операторного коэффициента распространения.

1.4. Методика определения искажения импульсов, основанная на разложении периодической последовательности импульсов в ряд Фурье.

• 1.4.1. Прямоугольный импульс.

1.4.2. Импульс произвольной формы.

1.5. Выводы по первому разделу.

2. МЕТОДИКА РАСПОЗНАВАНИЯ МЕСТ РАСПОЛОЖЕНИЯ И ТИПА МУФТ.

2.1. Упрощенная модель трехжильного кабеля с секторными жилами.

2.2. Упрощенная модель кабельной муфты для трехжильного кабеля.

2.3. Определение формы импульса, отраженного от одной муфты

2.3.1. Зондирование прямоугольным импульсом бесконечной длительности.

2.3.2. Зондирование прямоугольным импульсом конечной длительности.

2.4. Определение формы импульса, отраженного от двух муфт.

2.4.1. Зондирование прямоугольным импульсом бесконечной длительности.

2.4.2. Зондирование прямоугольным импульсом конечной длительности.

2.5. Выводы по второму разделу.

3. МЕТОДИКА РАСПОЗНАВАНИЯ МЕСТ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ КАБЕЛЯ.

ЗЛ. Модель коаксиального кабеля с оболочкой, поврежденной коррозией.

3.1.1. Первичные и волновые параметры коаксиальных кабелей.

3.1.2. Влияние коррозии металлической оболочки на первичные и волновые параметры кабеля.

3.1.3. Методика определения индуктивности корродирующего участка КЛ.

3.2. Диагностика коаксиального кабеля с оболочкой, поврежденной коррозией.

3.3. Выводы по третьему разделу.

4. ДИАГНОСТИКА ВОДНЫХ ТРИИНГОВ В ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ.

4.1. Модель водного триинга

4.1.1. Механизм образования водных триингов (обзор литературы).

4.1.2. Математическая модель водного триинга.

4.2. Импульсная диагностика водных триингов.

4.2.1. Волновые процессы в кабеле с изоляцией, содержащей водные триинги.

4.2.2. Распознавание участков КЛ, содержащих водные триинги.

4.3. Выводы по четвертому разделу.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КЛ С НЕОДНОРОДНОСТЯМИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ПО их ТРАССЕ.

5.1. Модель длинной линии, содержащей несколько видов неоднородностей.

52. Определение волновых параметров длинной линии и формы отраженных импульсов.

5.3. Результаты экспериментов на радиочастотном коаксиальном кабеле.

5.4. Выводы по пятому разделу.

Актуальность проблемы. Важным фактором обеспечения надежности электроснабжения потребителей является диагностика электрооборудования. Своевременное определение дефектных элементов электрической системы позволяет предотвращать аварийные ситуации и связанные с ними перерывы в электроснабжении потребителей. В настоящее время электроэнергетика России испытывает острую необходимость обновления оборудования, однако, перспектива замены физически и морально устаревшего оборудования является долгосрочной. В свете этой проблемы становится особенно актуальным вопрос диагностики электрооборудования, в том числе и выработавшего свой ресурс.

Определение мест повреждений является наиболее сложной, а часто относительно наиболее длительной технологической операцией при восстановлении поврежденного элемента сети. Еще более сложной задачей обеспечения надежного электроснабжения потребителей является диагностика и предупреждение появления возможных мест повреждения изоляции.

Разнообразие видов и характера повреждений, а также структуры и условий эксплуатации электрических сетей не позволяет получить какой-либо универсальный метод определения мест повреждений [1-8]. Еще более сложно создать какую-либо универсальную аппаратуру. Поэтому необходимо рассматривать совокупность методов и средств определения мест повреждений как систему с единой структурой для всех типов линий и сетей при любом характере повреждений.

Электроснабжение городских, а также промышленных потребителей электроэнергии, расположенных в черте города, обеспечивается, в основном, по кабельным линиям (КЛ) средних классов напряжения (6-10 кВ). Главной причиной повреждения КЛ является наличие в них дефектов, которые возникают как в процессе изготовления и монтажа, так и во время эксплуатации. Дефекты принято разделять на распределенные и сосредоточенные. К первым относятся дефекты изготовления (несоответствие толщины изоляции и оболочки требованиям гост, недостаток пропиточного состава, хрупкость и слабая намотка бумаги у кабелей с бумажно-масляной изоляцией) и эксплуатации (увлажнение, внешнее загрязнение, коррозия). Сосредоточенные дефекты являются наиболее опасными и трудно выявляются средствами контроля. Они могут возникать и при производстве кабелей (складки, морщины, трещины, разрывы изоляции) и при транспортировке и монтаже. Анализ аварийной статистики городских кабельных сетей показывает, что количество аварий в кабелях по причине заводских дефектов составляет около 25% от их общего числа.

Дистанционное определение расстояния до места повреждения в КЛ является неотъемлемой частью любой системы поиска повреждений. Одним из наиболее распространенных дистанционных методов определения мест повреждений является импульсный метод. При использовании этого метода в КЛ посылается зондирующий импульс и регистрируется отраженный сигнал. По параметрам отраженного сигнала можно определить расстояние до неоднородности, а также ее тип.

Существенный вклад в развитие дистанционных методов поиска повреждений в кабельных сетях внесли Г.М. Шалыт, Б.Г. Певчев, Ю.П. Аксенов, А.Г. Ляпин, О.В.ЗЬаШск, В.Оиткк, Н. ОпегИск, О. МсСа1И81ег и др.

Однако, в настоящее время в отечественных кабельных сетях импульсный метод диагностики в основном используется для определения таких аварийных неоднородностей, как короткое замыкание и обрыв. Вместе с тем этот метод может быть с успехом применен и для распознавания таких дефектов, как коррозия металлической оболочки и водные триинги в кабелях с пластмассовой изоляцией. Также целесообразно этот метод применять для определения мест расположения соединительных муфт.

Основная цель настоящей работы: разработка импульсного метода распознавания соединительных муфт, мест коррозии металлической оболочки кабеля и участков кабеля с полиэтиленовой изоляцией, содержащей водные триинги.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

• проанализированы существующие методики определения искажения импульсов при пробеге по тракту жила - металлическая оболочка коаксиального кабеля;

• разработана методика оценки искажения сигнала произвольной формы, распространяющегося по каналу кабельной линии;

• разработана методика оценки волновых параметров коаксиального кабеля при высоких частотах;

• проанализированы параметры соединительных муфт, мест коррозии металлической оболочки кабеля и участков кабеля с полиэтиленовой изоляцией, содержащей водные триинги;

• выбраны параметры рассматриваемых неоднородностей, позволяющие идентифицировать их импульсным методом;

• разработаны математические модели соединительных муфт, мест коррозии металлической оболочки кабеля и участков кабеля с полиэтиленовой изоляцией, содержащей водные триинги;

• разработаны методики определения формы сигналов, отраженных от рассматриваемых неоднородностей КЛ, при их зондировании прямоугольными импульсами и сигналами различной формы;

• выбраны параметры зондирующих импульсов, позволяющие наиболее надежно диагностировать рассматриваемые неоднородности, и сформулированы требования к зондирующей и регистрирующей аппаратуре.

Научная новизна основных результатов работы заключается в следующем:

• разработан метод определения искажения импульса произвольной формы при его пробеге по коаксиальному кабелю, основанный на разложении сигнала в гармонический ряд; разработан метод определения искажения прямоугольного импульса при пробеге по коаксиальному кабелю, основанный на аппроксимации операторного коэффициента распространения, не требующий расчетов на вычислительных машинах; предложен полином для определения индуктивности коаксиального кабеля с поврежденной металлической оболочкой; разработаны математические модели соединительных муфт, участков коаксиальных кабелей с коррозией оболочки и участков кабелей с полиэтиленовой изоляцией, содержащей водные триинги.

Практическая значимость результатов работы: создан программный комплекс для расшифровки экспериментальных реф-лектограмм, который позволяет производить расчет волновых процессов в схемах с произвольным количеством линий и неоднородностей с учетом искажения импульсов при пробеге по линиям; сформулированы требования к генератору зондирующих импульсов для распознавания соединительных муфт, коррозии оболочки и водных триин-гов; разработана методика проведения эксперимента по распознаванию мест расположения и вида неоднородности.

Достоверность результатов работы основывается на: применении достаточно полных математических моделей исследуемых видов неоднородностей и распространения импульсов по тракту КЛ; на хорошем согласии ряда результатов с результатами, опубликованными отечественными и иностранными исследователями; проверке разработанной методики диагностики на физических моделях, состоящих из комбинации радиочастотных кабелей РК-50 и РК-75.

Положения, выносимые на защиту

• в качестве основного расчетного метода при разработке импульсной диагностики целесообразно использовать метод, основанный на гармоническом разложении диагностирующих и отраженных импульсов произвольной формы и длительности, позволяющий создать универсальный алгоритм одновременного распознавания различных неоднородностей по трассе КЛ;

• применение импульсного метода позволяет определять не только расположение, но и тип изоляции соединительных муфт;

• с помощью импульсного метода определяется не только расстояние до участка кабеля с корродирующей металлической оболочкой, но и степень коррозии оболочки и протяженность поврежденного участка;

• использование импульсного метода позЕ!Оляет распознавать водные триинги в полиэтиленовой изоляции, приводящие к изменению емкости поврежденного участка КЛ;

• за счет различия параметров сигналов, отраженных от различных неодно-родностей, импульсный метод позволяет идентифицировать несколько не-однородностей различных видов по трассе КЛ.

При проведении исследований, связанных с разработкой математической модели кабеля с коррозией оболочки, автор пользовался научными консультациями и помощью заведующего кафедрой теоретических основ электротехники НГТУ д.т.н. А.И.Инкина, заведующего кафедрой прикладной математики НГТУ д.т.н. Ю.Г.Соловейчика и доцента кафедры прикладной математики НГТУк.т.н. М.Э.Рояка.

Основные выводы, относящиеся к существу рассмотренных вопросов, можно сформулировать следующим образом:

Искажение диагностирующего и отраженного импульса конечной длительности при их распространении по коаксиальному кабелю

Анализ эффективности различных методов учета искажения зондирующих и отраженных импульсов (в том числе использования интеграла Фурье, аппроксимации операторного коэффициента с последующим аналитическим определении оригинала искаженного импульса) показал, что наиболее эффективным при решении поставленной задачи является метод, основанный на замене конечного импульса произвольной формы, представленного в виде кусочно-линейной функции, периодическим сигналом с отношением Т1тААА Л100 (Гпериод следования одиночных импульсов), с последующим разложением его в ряд из гармонических составляющих и определением искажения и отражения каждой гармоники порознь.

Распознавание мест расположения и типа соединительных муфт

1. При распознавании места положения муфт в сетях, содержащих трехжиль-ные кабели, целесообразно подключать источник зондирующих импульсов по схеме три жилы, соединенные параллельно, - металлическая оболочка.

2. С помощью методики анализа рефлектограмм можно распознавать не только места расположения муфт по трассе КЛ, но и диэлектрическую проницаемость их изоляции (т.е. тип муфты).

3. Для распознавания соединительных муфт следует использовать прямоугольные импульсы длительностью порядка 50 не.

Распознавание мест коррозии металлической оболочки кабеля

1. При использовании импульсного метода можно определить не только место расположения корродирующего участка КЛ, но и его протяженность и степень коррозии металлической оболочки.

2. Для диагностики мест коррозии рекомендуются прямоугольные импульсы с длительностью порядка 10 не.

Диагностика водных триингов в полиэтиленовой изоляции силовых кабелей

Сигнал, отраженный от участка КЛ с водным триингом в изоляции кабеля, имеет полярность, противоположную полярности зондирующего импульса. Поэтому рефлектограммы импульсов, отраженных от участка КЛ с водным триин-гом, существенно отличаются от рефлектограмм, диагностирующих муфты или коррозию металлической оболочки кабеля. Оптимальная длительность зондирующего импульса при распознавании водных триингов составляет несколько наносекунд.

Диагностирование КЛ с неоднородностями различных видов по ее трассе

1. Распознавание различных типов неоднородностей оказывается возможным даже при посылке единичного диагностирующего импульса. Форма сигналов, отраженных от второй и последующих неоднородностей качественно не изменяется по сравнению со случаем содержания по трассе КЛ лишь одной неоднородности. Наличие нескольких неоднородностей по трассе КЛ приводит к уменьшению амплитуд регистрируемых сигналов, что ограничивает протяженность уверенно диагностируемого участка КЛ.

2. Одновременное диагностирование различных неоднородностей по трассе КЛ следует производить при посылке серии зондирующих импульсов различной длительности, что позволяет более уверенно определять параметры неоднородностей.

3. Разработанная методика импульсной диагностики неоднородностей по трассе КЛ позволила выдвинуть технические требования к зондирующей и регистрирующей аппаратуре, обеспечивающие надежную регистрацию и расшифровку рефлектограмм. Основным требованием к генератору зондирующих сигналов является возможность формирования низковольтных импульсов с длительностями от 1 до 100 не. При этом длительность фронта коротких импульсов (<10 не) не должна превышать 0.5-2 не, а более длинных - 25 НС. Амплитуда зондирующих импульсов выбирается на основе информации о чувствительности приемной аппаратуры и уровне электромагнитных помех в диагностируемой линии и может быть принята в пределах от единиц до сотен вольт.

Общее заключение по работе

Разработанные методики определения формы сигналов, отраженных от соединительных муфт, кабелей с корродирующей оболочкой и водных триингов в полиэтиленовой изоляции кабелей, являются основой для создания системы диагностирования КЛ. К основным компонентам этой системы относятся генератор импульсов, регистратор зондирующих и отраженных сигналов, ЭВМ с программным обеспечением для расшифровки рефлектограмм и хранения информации о параметрах КЛ. Подобная диагностирующая система позволит выявлять дефекты КЛ, отслеживать их развитие и прогнозировать аварийные ситуации.

Внедрение импульсного метода диагностики кабельных линий в их отключенном состоянии позволит существенно повысить надежность эксплуатации кабельных сетей средних классов напряжения, так как может предотвратить

134 аварийные ситуации путем своевременной замены поврежденного участка КЛ. Внедрение этого метода в настоящее время является особенно необходимым, так как сроки службы оборудования во многих кабельных сетях (городских и сельских) превышают нормированные значения. Только неразрушающая диагностика таких сетей в сочетании с мониторингом могут повысить надежность их эксплуатации и избежать повышенной аварийности состарившегося электрооборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По работе могут быть сделаны выводы как методического характера, так и по существу рассмотренных вопросов.

К основным методическим выводам можно отнести следующие:

1. Предложена модель исследования распространения импульсов по кабельной линии, содержащей неоднородности различных типов по её трассе. Модель позволяет производить расчет волновых процессов в любых КЛ, основанных на коаксиальных кабелях. Достоверность предложенной модели подтверждена путем проведения соответствующих экспериментов на радиочастотных кабелях.

2. Разработана методика моделирования трехжильного кабеля при включении зондирующего сигнала по схеме три жилы - металлическая оболочка, основанная на его представлении в виде коаксиального кабеля. Волновое сопротивление такого тракта, также как и соединительных муфт, можно определить по методике, приведенной в работе.

3. Установлено, что основным параметром, меняющимся в случае нарушения целостности металлической оболочки, является погонная индуктивность канала жила - оболочка. С помощью аналитического и численного решения уравнений Максвелла получена связь между индуктивностью и волновым сопротивлением нарушенного участка кабеля со степенью его коррозии.

4. Проведенные исследования по определению индуктивности коаксиального кабеля с поврежденной оболочкой показали, что допущение о равномерности распределения плотности тока в жиле и поврежденной оболочке может быть принято только при степени коррозии, не превышающей 30%. Поэтому для определения индуктивности кабеля с корродирующей оболочкой рекомендуется использовать полином, основанный на численных расчетах электромагнитного поля, учитывающих неравномерность распределения плотности тока по периметрам как жилы, так и оболочки. 5. Водные триинги целесообразно моделировать в виде сосредоточенной емкости, величина которой определяется по приведенной в работе методике.

1. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1982. 312 с.

2. Шипицын В.В., Шабанов В.А., Хлюпик Д.А. Исследование метода определения места повреждения в кабелях, основанного на улавливании магнитного поля // Сб. докл. 5 Международного симпозиума «Электротехника 2010». 1999. С.181-184.

3. Stattuck G.B. New technique saves ТЛШ cable (neutral corrosion test determines strategu for replacement or enhancement) // Transmission and distribution world.1995, August. P.38-41.

4. Gurnlack B. Neutral corrosion problem overstated (Resent study saggest problem may not be as serious as once thought) // Transmission distribution world.1996, August. P.152-158.

5. Gnerlich H., McCallister D. First find distance to fault then thump // Electrical world. 1996, February. P.41-42.

6. TawfikM.M., Moreos M.M. A novel approach for fault location on transmissions lines // IEEE power engineering review. 1998. Vol. 18, № 12. P.65-67.

7. Navaneethan S., Soraghan J.J., Siew W.H., McPherson F., Cale P.F. Automatic fault location for underground low voltage distribution networks // IEEE Transaction on power delivery. 2001. Vol. 16, No. 2. P.346-351.

8. Tilstra B. Силиконовая инъекция восстанавливает поврежденные кабели // Electrical world. 1995, December. P. 29-30.

9. Кадомская К. П. Электромагнитные процессы в кабельных линиях высокого напряжения. Новосибирск: НГТУ, 1997. 142 с.

10. Wedepohl L.M., Wilcox D.J. Transient analysis of underground power transmission systems. System model and wave-propagation characteristics // Proc. Inst. El. Eng. 1973. Vol. 120, №2. P. 253-260.

11. И.Костенко М.В., Кадомская К.П., Левинштейн М.Л., Ефремов И.А. Перенапряжения и запдита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1988.-301 с.

12. Левинштейн М.Л. Операционное исчисление в задачах электротехники. Л.: Энергия, 1972.-350 с.

13. Физико-математические основы техники и электрофизики высоких напряжений. Под ред. К.П. Кадомской. М.: Энергоатомиздат, 1982. 176 с.

14. И.Муниц Н.М. Зап.;ита силовых кабелей от коррозии. М.: Энергоиздат, 1982. -176 с.

15. Проэктор Е.Г. Заш;ита кабельных и воздушных линий электропередач от коррозии. М.: Энергия, 1974.

16. Хб.Аксенов Ю.П., Ляпин А.Г., Певчее Б.П. Применение рефлектометрии для диагностики кабелей // Электрические станции. 1999. № 4. С. 62-68.

17. И.Рединг Р. Испытания проложенных кабелей с полиэтиленовой изоляцией с измерением 4P при импульсном напряжении // Международный коллоквиум по высоковольтной испытательной технике. Санкт-Петербург. 1998, апрель.

18. Шувалов М.Ю., Ромашкин A.B., Маврин М.А. Видеомикроскопия триинга // Электричество. 1996. №3. С.37-44.

19. Ю.Шувалов М.Ю., Овсиенко В.Л., Маврин М.А. Видеомикроскопия водных и электрических триингов // Электричество. 1997. №7. С.22-29.

20. Шувалов М.Ю., Маврин М.А. Рост водного триинга как диффузионно-кинетический процесс // Электричество. 1999. №4. С.43-50.

21. И.Шувалов М.Ю., Ромашкин A.B., Овсиенко В.Н. Анализ дефектов в изоляции силовых высоковольтных кабелей методами видеомикроскопии и макроэксперимента// Электричество. 2000. № 5. С.49-57.

22. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область слабых полей). М.-Л.: Физмат-гиз, 1949.

23. Hwidcen S., Ildstat Т., Holmgren В., Werelius P. Correlation beetween AC breakdown strength and low frequency dielectric loss of water tree ages XLPE cables // IEEE Transaction on power delivery. 1998. Vol. 13, No. 1, P. 522-529.

24. Cmpayccmpyn Б. Язык программирования С++. М: БИНОМ, 1999. 991 с.