автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контроль технического состояния защищенных проводов линий электропередачи в условиях комплексного воздействия эксплуатационных факторов

9 15-5/948

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВ Юрий Владимирович

КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗАЩИЩЕННЫХ ПРОВОДОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В УСЛОВИЯХ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении дополнительного профессионального образования «Петербургский

энергетический институт повышения квалификации»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Назарычев Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Фоминич Эдуард Николаевич - доктор технических наук, ФГК ВОУ ВПО «Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала A.B. Хрулева», кафедра электроснабжения, электрооборудования и автоматики Военного института (инженерно-технического), профессор

Коротеев Михаил Юрьевич - кандидат технических наук, ООО «Константа», генеральный директор

Ведущая организация:

ООО «Научно-исследовательский, проектно-

конструкторский и технологический кабельный институт «Севкабель»

Защита состоится 13 ноября 2015 г. в 12 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 11 сентября 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ /^¿¡^ ФОКИН

диссертационного совета Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ состояния воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) 6-35 кВ показал, что более 70 % технологических нарушений связаны с повреждениями проводов и узлов их крепления к опорам. Более 50 % повреждений проводов является следствием старения материалов и развития дефектов под действием повышенных эксплуатационных нагрузок, что приводит к снижению остаточного ресурса проводов и, как следствие, показателей надежности функционирования ВЛЭП. В связи с этим становится важным обеспечение своевременного контроля состояния проводов с целью обнаружения дефектов на ранних стадиях развития и принятия мер по предупреждению отказов. Работы в области диагностики и оценки состояния ВЛЭП с неизолированными проводами уже проводились как российскими, так и зарубежными учеными, но применительно к ВЛЭП с защищенными проводами (ЗП) их недостаточно. Это связано с недостаточной изученностью условий возникновения и развития дефектов в ЗП при комплексном воздействии эксплуатационных факторов. Кроме этого ранние рекомендации, разработки и решения в области оценки состояния неизолированных проводов не учитывают технологические и конструктивные особенности ЗП и применяемой специальной линейной арматуры, свойства конструкционных полимерных материалов, что требует проведения отдельного исследования.

Степень научной разработанности темы исследования: Вопросам повышения надежности ВЛЭП с ЗП посвящены труды Б.Н. Абрамовича, Г.В. Грешнякова, Г.А. Евдокунина, В.А. Канискина, Г.Г. Ковалева, М.К. Каменского, Г.И. Мещанова, Г.В. Подпоркина, А.И. Таджибаева, Э.Н. Фоминича, Ф.Х. Халилова, М.А. Шабада и др. Среди зарубежных исследований следует выделить работы .ГВ.АУаге^, К.Майкоп, З.Напгипеп, ТХевкшеп, К.КаШо1а, Р.Ракопеп, А.Нтккип, М.Коккопеп, г.Тогоз и др. Большая часть работ указанных авторов исследует режимные особенности сети, влияние отдельных факторов на состояние установленного электрооборудования. В то же время уделяется неоправданно мало внимания вопросам контроля и

оценки состояния ЗП, как наиболее уязвимого оборудования ВЛЭП. Недостаточно изучены условия развития дефектов в ЗП, возникающих при комплексном воздействии эксплуатационных факторов. Отсутствуют ресурсные модели, позволяющие прогнозировать состояние ЗП в эксплуатации.

Цель работы: Разработка новых и совершенствование существующих моделей и методик контроля и оценки состояния ЗП с учетом комплексного воздействия эксплуатационных факторов.

Основная идея работы: Повышение эффективности эксплуатации ВЛЭП с ЗП путем совершенствования технологий контроля и оценки состояния ЗП.

Задачи исследования:

1. Установить влияние особенностей технологии изготовления, конструкций и свойств материалов ЗП и линейной арматуры, а также способов их монтажа на условия образования дефектов ЗП в условиях эксплуатации.

2. Разработать усовершенствованную модель и инженерную методику контроля состояния ЗП на основе определения предельной наработки на отказ при вибрациях ЗП в ветровом потоке.

3. Разработать ресурсную модель и установить зависимости между динамическими свойствами дефектов и предельной наработкой на отказ полимерных оболочковых материалов ЗП при комплексном воздействии механических и температурных нагрузок.

4. Разработать методику оценки состояния ЗП на основе контроля частотных свойств ресурсных показателей.

5. Разработать математическую модель увлажнения ЗП с учетом наличия дефектов в защитной оболочке.

6. Определить стойкость ЗП к биоповреждениям на основе анализа структуры поверхности ЗП при комплексном воздействии увлажнений и загрязнений.

7. Разработать высоковольтную установку для испытаний ЗП на трекингостойкость и методику контроля для выявления ранних признаков трекинговой эрозии поверхности ЗП при комплексном воздействии повышенных электрических полей, увлажнений и загрязнений.

Защищаемые научные положения:

1. На основе усовершенствованной модели контроля состояния ЗП при вибрациях в ветровом потоке, впервые учитывающей особенности конструкций и свойств материалов защищенных проводов и линейной арматуры, а также условия прохождения трассы ВЛЭП, разработана инженерная методика определения предельной наработки на отказ ЗП.

2. На основе исследования спектров диэлектрических и механических потерь материала защитной оболочки в частотной области разработана универсальная методика неразрушающего контроля состояния ЗП при комплексном воздействии эксплуатационных нагрузок, позволяющая определить остаточный ресурс ЗП в условиях эксплуатации.

3. С целью своевременного выявления признаков электрической эрозии ЗП при эксплуатации в условиях комплексного воздействия электрических полей, увлажнений и загрязнений разработана методика контроля состояния ЗП на основе применения диагностического показателя, определяемого отношением основной гармонической к третьей гармонической измеряемого тока утечки по поверхности ЗП вблизи узлов его крепления к опоре ВЛЭП.

Методы исследования опираются на базовые положения физики вибрации проводов, молекулярно-кинетической теории разрушения полимеров, технической диагностики, измерений, испытаний. Результаты экспериментальных исследований и испытаний ЗП на специальных установках позволили обосновать применимость разработанных ресурсных моделей, методик контроля состояния ЗП.

Научная новизна:

1. Разработана усовершенствованная модель состояния ЗП при вибрациях в ветровом потоке, позволяющая установить функциональную связь между усталостными деформациями ЗП и величиной его предельной наработки на отказ с учетом особенностей конструкций и свойств материалов как самого ЗП, так и элементов линейной арматуры. Модель учитывает влияние изменения скорости и направления ветра вдоль ВЛЭП при сложном рельефе местности.

2. Разработана усовершенствованная ресурсная модель для определения предельной наработки на отказ оболочковых материалов ЗП при механических и температурных воздействиях. Модель впервые позволяет учесть:

- рецептуру полимерного материала, что отражено введением структурно-чувствительного коэффициента, зависящего от молекулярной структуры полимера, наличия пластификаторов, антиоксидантов, красителей и других наполнителей;

- многослойность конструкции ЗП, что впервые отражено введением безразмерного коэффициента, характеризующего степень адгезии полимерного материала защитной оболочки к алюминиевой жиле провода и равного отношению сопротивления отрыву материала защитной оболочки с поверхности жилы за время наработки к сопротивлению отрыву, полученному по результатам заводских испытаний ЗП;

- остаточное напряжение на границе адгезионного слоя между защитной оболочкой и жилой ЗП, обусловленное незавершенностью процессов кристаллизации при наложении защитной оболочки.

3. Получены зависимости для скорости роста трещин в материале защитной оболочки при комплексном воздействии температурных и механических нагрузок, вызывающих растяжения и циклические деформации. Определена зависимость наработки материала защитной оболочки от скорости роста трещин.

4. Разработана усовершенствованная математическая модель теплового состояния ЗП с учетом его многослойности, частотной зависимости диэлектрических потерь в материале защитной оболочки, наличия переходных сопротивлений в местах контактных соединений при установке прокалывающих зажимов.

5. Разработан метод определения предельной наработки на отказ оболочковых материалов ЗП на основе контроля потери массы испытуемых образцов при старении.

6. Разработана математическая модель увлажнения ЗП с учетом наличия дефектов в защитной оболочке.

Соответствие паспорту специальности: работа соответствует паспорту специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий:

1) в части формулы специальности - «...созданием научных основ методов аналитического и неразрушающего контроля... веществ, материалов и изделий... в повышении качества продукции.. .увеличении.. .срока их службы...»;

2) в части области исследования - п. 1: «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля.. .веществ, материалов и изделий».

Достоверность подтверждается апробацией разработанных моделей, результатами проведенных экспериментальных исследований и натурных испытаний с использованием сертифицированных измерительных приборов высокого класса точности, обработкой результатов с учетом требований отраслевых нормативных документов, государственных и международных стандартов.

Практическая ценность работы состоит в разработке ресурсных моделей и методик контроля состояния ЗП в условиях комплексного воздействия эксплуатационных факторов, в частности:

1. Обосновано влияние конструкции, материалов и способов монтажа элементов линейной арматуры на состояние ЗП в условиях эксплуатации.

2. На основе усовершенствованной модели разработана инженерная методика определения предельной наработки на отказ ЗП при вибрациях ЗП в ветровом потоке.

3. Обоснована необходимость использования фактических метеоданных в районах прохождения трассы ВЛЭП при расчете предельной наработки ЗП на отказ.

4. Обосновано влияние температурных режимов экструзии при наложении защитной оболочки на формирование незавершенных процессов кристаллизации с появлением остаточных внутренних напряжений на границе адгезионного слоя между защитной оболочкой и жилой ЗП, что учтено введением новых коэффициентов в ресурсную модель ЗП.

5. Обосновано влияние технологических факторов, рецептур полимерных материалов, а также состава загрязнений на структурные свойства и микрогеометрию поверхности ЗП, определяющих трекингостойкость ЗП при комплексном воздействии повышенных электрических полей, температур, увлажнений и загрязнений.

6. Определены зависимости между динамическими свойствами трещин в материале защитной оболочки и величиной его наработки на отказ при комплексном воздействии механических и температурных нагрузок.

7. Разработана высоковольтная установка для испытаний ЗП на трекингостойкость в условиях воздействия повышенных электрических полей, увлажнений и загрязнений.

8. Методика контроля состояния на основе гармонического анализа токов утечки по поверхности ЗП позволяет выявлять ранние признаки трекинговой эрозии ЗП в условиях комплексного воздействия электрических полей, увлажнений и загрязнений.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международном научном семинаре «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (г. Иркутск, г. Санкт-Петербург, г. Ялта, 2008-2010 гг.); на XVII Всероссийской конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (г. Нижний Новгород, 2008 г.); на международной конференции «Качество электрической энергии и надежность электроснабжения» (Эстония, 2008, 2014 гг.); на IV международном научном семинаре «Современное состояние вопросов эксплуатации, проектирования и строительства BJI» (г. Москва, 2009 г.); на XX международной конференции CIRED (Чехия, 2009 г.); на V международном научном симпозиуме «Электроэнергетика» (Словакия, 2009 г.); на международной конференции «Дни неразрушающего контроля» (Болгария, 2008, 2009, 2010, 2015 гг.); на международном семинаре «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования» (г. Санкт-Петербург, 2009-2010 гг.).

Личный вклад автора

1. Проведен анализ опыта эксплуатации ВЛЭП с ЗП в России и за рубежом.

2. Разработана усовершенствованная модель и инженерная методика контроля состояния ЗП при вибрациях в ветровом потоке.

3. Разработана ресурсная модель для определения предельной наработки на отказ оболочковых материалов ЗП.

4. Разработана высоковольтная установка для испытаний ЗП на трекингостойкость.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом 27-/ страниц машинописного текста, содержит 27 таблиц и 176 рисунков, список литературы из 165 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы основные цели и задачи.

В первой главе на основе анализа опыта эксплуатации ВЛЭП с ЗП в России и за рубежом впервые систематизированы данные по дефектам ЗП. Приведен анализ влияния технологических и конструктивных особенностей ЗП и элементов линейной арматуры, а также способов монтажа на состояние ЗП в условиях эксплуатации. Обоснованы недостатки существующих методов контроля и оценки состояния ЗП. Установлено отсутствие достоверных ресурсных моделей ЗП вследствие недостаточной изученности условий возникновения и развития дефектов в ЗП.

Во второй главе определена функциональная зависимость изгибных деформаций от частоты и амплитуды вибрации ЗП в ветровом потоке. Разработана усовершенствованная математическая модель состояния ЗП и инженерная методика определения его предельной наработки на отказ при вибрациях. Для оболочковых материалов при растяжениях и циклических деформациях ЗП разработана уточненная ресурсная модель. Установлены функциональные зависимости ресурсных показателей оболочковых материалов ЗП от скорости роста трещин при одновременном воздействии температуры и различных видов механического

нагружения. Приведены сравнительные результаты натурных испытаний неизолированных проводов и ЗП при различных климатических воздействиях.

В третьей главе разработана усовершенствованная математическая модель теплового состояния ЗП. Предложена методика контроля состояния ЗП на основе анализа частотных зависимостей ресурсных показателей ЗП при эксплуатационных воздействиях. Экспериментально получены частотные зависимости предельной наработки на отказ ЗП с защитной оболочкой из сшитого полиэтилена при температурных воздействиях.

В четвертой главе разработана математическая модель увлажнения ЗП с учетом наличия дефектов в защитной оболочке. Приведены результаты экспериментальных исследований грибостойкости и трекингостойкости поверхности ЗП при повышенных увлажнениях и загрязнениях. Разработана высоковольтная установка для проведения испытаний ЗП на трекингостойкость. На основе гармонического анализа токов утечки по поверхности ЗП предложен способ выявления ранних признаков трекинговой эрозии ЗП.

В заключении по результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований сформулированы основные выводы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На основе усовершенствованной модели контроля состояния ЗП при вибрациях в ветровом потоке, впервые учитывающей особенности конструкций и свойств материалов защищенных проводов и линейной арматуры, а также условия прохождения трассы ВЛЭП, разработана инженерная методика определения предельной наработки на отказ ЗП.

Усовершенствованная модель состояния ЗП при вибрации в ветровом потоке описывается уравнением:

ЕР \гдУл

д У Е1 —+

д1*

2{Ь + у ■ ЕР) в 81

[я

где Е1 и ЕР -жесткость ЗП на изгиб и растяжение соответственно; у=у(1,0 - поперечное смещение ЗП от положения равновесия в точке с

10

линейной координатой / в момент времени t; L- длина ЗП в пролете; р - погонная масса ЗП; /и -масса установленных элементов линейной арматуры на единицу длины ЗП; Тср - средняя величина тяжения ЗП в положении равновесия; у - безразмерный коэффициент, учитывающий жесткость узла анкерного крепления ЗП; е - коэффициент самодемпфирования колебаний ЗП, зависящий от конструктивного исполнения ЗП; В(1, ^-поперечная аэродинамическая нагрузка.

Для аэроупругих колебаний ЗП (1) преобразуется в дифференциальное уравнение второго порядка, решение которого имеет вид:

у(0 = Ушах ■ sin ) • sin(2 ■ л ■ fn ■ t) (2)

Учитывая синхронность и синфазность колебаний поперечной аэродинамической нагрузки с колебаниями ЗП в пролете ВЛЭП, а также постоянство нагрузки внутри полупериода колебаний, правая часть (1) может быть представлена для каждой формы колебаний п в виде:

16 • В0 /7Г ■ 1\ Bn(l, t) = ■ sin (—) ■ cos(2 ■ тг ■ /л ■ t), (3)

B0 = ^-cy-K2-V02-d, (4)

2L + P

где В0-амплитудное значение боковой аэродинамической силы; V0 -скорость ветра в условиях открытой местности, К - коэффициент приведения к реальным условиям рельефа местности, К £ [0,7 -г 1,35]; су - коэффициент боковой аэродинамической силы, су = / (Упшх/d); d - диаметр ЗП; /п- собственная частота колебаний ЗП; п -номер формы колебаний.

Изгибные напряжения в ЗП согласно закону Гука:

Гр

o = £-Ea = d-Ea-n-fn-ymax ■ (6)

Амплитуда вибрации ЗП в пролете ВЛЭПопределяется как:

= 8 • В0 ■ d = 4- d2 ■ су ■ р • К - У0

Утах Sh(l) ■ V ■ я3 ■ е 5/i(0 ■ тг3 ■ е ' U

0,18

SKI) = =, (8)

Jl + ctg(ao) + l-D

где Sh(l) - число Струхаля в произвольной точке вдоль ЗП с

координатой / позволяет учесть изменение скорости и направления

действия ветра вдоль ВЛЭП в результате провисания ЗП в пролете

вследствие вытяжки ЗП со временем, тяжения от веса установленных

элементов линейной арматуры, сложного рельефа местности вдоль

трассы ВЛЭП; а0 - угол наклона оси ЗП на выходе из анкерного

крепления к опоре по отношению к горизонтальной оси; D - параметр,

определяемый коэффициентами сопротивления формы и трения

поверхности ЗП:

сх ■ р ■ К2 ■ Vn ■ d

D = -í-í--5-, (9)

2 ■ T0 • G к '

где сх - коэффициент лобового сопротивления ЗП; Тп - величина

тяжения ЗП на выходе из анкерного зажима. Коэффициент G

определяется формой и шероховатостью поверхности ЗП:

с«»

где Сф - коэффициент формы; ст - коэффициент трения, определяемый шероховатостью поверхности ЗП. Коэффициент лобового сопротивления сх определяется как: сх = сф + ст. Для ЗП типа СИП-3 значения коэффициентов сф = 1,84, ст = 0,06. При резонансных условиях вибрации, когда частота срыва вихрей с поверхности ЗП совпадает с одной из его собственных частот, принимая во внимание (7) и (8), выражение (6) для расчета изгибных напряжений вблизи узла крепления примет вид:

п

Тср 4 ■ d3 • Су ■ К2 ■ Vq

ц + р Sh(l) -п2 • е JEÍ

У

Коэффициент самодемпфирования ЗП определяется как: Я ■ fn+d ■ Утах ■ (1 + «У ■ Утах)

(И)

е = ■

d ■ Sh(l)3 ■ К3 ■ К03 • / риг) 12

1 + ÛV Ь~ ■ fn ■ Утах I ' Tc-pb ■ yCmax • —

(12)

где a,aY,av,b,c,d - постоянные, определяемые по результатам

заводских усталостных испытаний конкретной марки ЗП; / (^р) -

функция амплитуды вибрации, выраженная в значениях диаметра ЗП и определяемая характером рельефа местности.

На рисунке 1 представлены расчетная зависимость изгибного

напряжения, полученная на модели для ЗП марки СИП-7 сечением 185

2

мм , и экспериментальная зависимость для аналогичного провода зарубежного производства типа SAX LMF 185.

ю

£

—г-

20

—I—

40

—!—

SO

Частота вибрации ЗП, Гц

Рисунок 1 - Изгибное напряжение в ЗП вблизи узла крепления: ► - расчет на модели; ш - результаты измерений Совпадение результатов расчета на модели и эксперимента с точностью до 10% наблюдается в диапазоне частот от 0 до 15 Гц, соответствующих наиболее опасным вибрациям в условиях эксплуатации. При более высоких частотах вибрации наблюдается существенный разброс данных расчетов и измерений, что связано со сложностью отражения в модели особенностей конструкции

поддерживающего AGS-зажима, используемого в экспериментах. В частности, в модели принято положение расчетной точки на расстоянии 89 мм от центра зажима, в то время как точка выхода ЗП из AGS-зажима лежит на расстоянии 250 мм от центра зажима. Полученное расхождение не снижает ценности полученных результатов, лишь подтверждая необходимость учета конструкции элементов линейной арматуры при расчете изгибных деформаций ЗП вблизи узла крепления. Ограничением модели является невозможность учесть величину снижения прочностных характеристик ЗП при установке прокалывающих зажимов, вносящих микродефекты в отдельные проволоки жилы ЗП при монтаже.

На основе модели разработана инженерная методика контроля состояния ЗП при вибрациях в ветровом потоке для определения предельной наработки ЗП на отказ с учетом реальных климатических воздействий на ЗП при эксплуатации. Алгоритм реализации методики представлен на рисунке 2.

2. На основе исследования спектров диэлектрических и механических потерь материала защитной оболочки в частотной области разработана универсальная методика неразрушающего контроля состояния ЗП при комплексном воздействии эксплуатационных нагрузок, позволяющая определить остаточный ресурс ЗП в условиях эксплуатации.

Использован подход, основанный на определении корреляционной зависимости эксплуатационных характеристик ЗП с параметрами, напрямую связанными с ресурсными показателями ЗП, в частности, температурой холодостойкости Тх, определяющей условия развития трещин в защитной оболочке провода при комплексном воздействии механических и температурных нагрузок (рисунок 3). В качестве контролируемого параметра принято смещение положения максимума tg(ô_J в область более низких частот (величина AfM) относительно исходного состояния в результате старения (рисунок 4).

Определена корреляционная связь между параметрами Тх и AfM для испытуемого образца ЗП:

Тх = 155 + 0,15 ■ Д/м (13)

Сбор данных метеостанций о скоростях ветра вдоль ВЛЭП/

Статистическая обработка данных измерений метеостанций

1

Суммарная длительность ветровых 'воздействий Т, в год для измеренных скоростей ветра (количество часов/Год)

Определение частоты вибрации ЗП по данным измерений фактической скорости ветра (Мюмер измерения)

Ввод исходных данных в модель: и, Тф, р, (1, <5. Е1, ЕР, в, с,, Сф, ст, у

Формирование базы данных по частотам вибрац ии методам накопления

Расчет количества циклов вибрации ЗП в год для частот вибрации (| и соответствующей ей суммарной длительности ветровых воздействий Т| в год:

Расчет амплитуд вибрации ЗП согласно (7)

Готовое число циклов вибрации

Амплитуды вибрации ЗП УшШ

>

Расчет изгибных напряжений 0| в ЭП согласно (11)

>

Изгибные напряжения 0|

Определение количества циклов вибрации N^1 по данным зависимости о ((Ы), полученной по результатам заводских усталостных вибрационных испытаний ЗП

Расчет предельной наработки ЗП на отказ трМл/М,

Количество циклов вибрации Ы^ до повреждения ЗГЬ

Предельная наработка ЗП на отказ Т|

Рисунок 2 - Алгоритм реализации инженерной методики контроля состояния ЗП при вибрациях в ветровом потоке для определения предельной наработки на отказ

и

h"

-I—I—I—I—.—I—I—1—I—I—I—I—I—I

2.2 24 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6

МО, Ч

Рисунок 3 - Зависимость температуры холодостойкости Тх от величины сработанного ресурса ЗП т„

4.0-1

38-

3.6-

3.4-

3.2-

3.0-

2.8-

26-

ъ 2.4-

х 2.2-

"О 20-

S1 1.6-

1.4-

1.2-

1.0-

0.8-

06-

—1—•—I—■—I—■—I—■—I—■—I—'—I—■—I—■—|—•—|—■

2.0 2 5 3.0 3.5 4.0 45 50 5.5 60 65 7.0

19(0. ГЦ

Рисунок 4 - Частотная зависимость диэлектрических потерь в ЗП: - исходный образец; • - после старения в течение 1800 ч; А- после старения в течение 7500 ч

Рисунок 5

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5 0 1В(0. Ги

Рисунок 6 - Частотные зависимости ^(6) для исходного образца и состаренного образца ЗП при Т= 70°С в течение 2000 ч: ■ ->9=0,4; • ->9=0,5; А-/?=0,6; Т - теоретический расчет

540 54» 558 567 578 588 598 608 619 630 639 654 AfM-ГЦ

- Зависимости сработанного ресурса ЗП от AfM\ 1-Т = 385 К;2-Т = 372К;3-Т = 368 К; 4 - Т = 345 К; 5 - Т = 330 К; 6 - Т = 325 К; 7 - Т = 293 К 9-

Выражение (13) с учетом зависимости на рисунке 3 обосновывает корректность выбора параметра А/м для решения задачи контроля состояния ЗП. Для определения сработанного ресурса ЗП необходимо провести ускоренные испытания на долговечность. При условии, когда температура ЗП отлична от температуры ЗП при ускоренных испытаниях, сработанный ресурс ЗП может быть определен как: [(Д/м)н " (Л/м)пр . ^ /1 1

Гн т.

прф ■ ехр

К д \тр г4

(14)

где (А/м)При (А/м)н ~ соответственно предельное и текущее значения А/м в процессе ускоренных испытаний ЗП; тпрф -предельное значение ресурса ЗП при ускоренных испытаниях на долговечность; гн - сработанный ресурс ЗП, соответствующий (Д/М)н; Тф - температура ЗП при ускоренных испытаниях; Тр -рабочая температура ЗП; К - коэффициент изменения А/м, №=120 кДж/моль - энергия активации образования трещины в защитной оболочке провода. На рисунке 5 представлены частотные зависимости сработанного ресурса отрезка ЗП типа СИП-3 сечением 50 мм2 длиной 1м при различных температурах испытаний. Согласно (14) для оценки сработанного ресурса ЗП необходимо определить А/м. Ввиду ограниченных технических возможностей измерительного оборудования для снятия полной частотной зависимости предложена методика, позволяющая определять сработанный ресурс ЗП на основе измерений лишь на двух частотах и включающая следующие этапы:

1) Выбор двух частот измерений /1 и /2 из диапазона, в котором значения tg(д), полученные расчетным и экспериментальным путем с приемлемой точностью совпадают. На рисунке 6 представлены частотные зависимости tg(6) для исходного и состаренного образцов ЗП. Искомый диапазон частот соответствует участку АВ. В общем случае границы искомого интервала определяются по двум частотным зависимостям ^(6), полученным для исходного состояния и предельного состояния ЗП, когда сработанный ресурс максимальный.

2) Для двух выбранных частот// и/2 производится измерение tg(di) и tg(S2) с помощью моста переменного тока типа VKB с измерительной ячейкой, генератором ГЗ 112/1 и блоком усиления;

3) По данным измерений вычисляется fM по формуле:

К tg(S tg(S2)

к tg(S2) tgiSJ

где Р - параметр распределения времен релаксации для СПЭ из диапазона [0,1-1,2]. По найденному значениюопределяется Л/м.

4) Определяется значение сработанного ресурса по (14). Универсальность методики заключается в возможности ее применения как на ограниченных участках, так и на строительных длинах ЗП, а также в инвариантности к природе потерь в ЗП при эксплуатационных воздействиях.

3. С целью своевременного выявления признаков электрической эрозии ЗП при эксплуатации в условиях комплексного воздействия электрических полей, увлажнений и загрязнений разработана методика контроля состояния ЗП на основе применения диагностического показателя, определяемого отношением основной гармонической к третьей гармонической измеряемого тока утечки по поверхности ЗП вблизи узлов его крепления к опоре ВЛЭП.

Для испытаний ЗП на трекингостойкость разработана установка, высоковольтная часть которой представлена на рисунке 7. В качестве испытуемых приняты ЗП марки СИП-3 10 кВ сечением 185 мм2 длиной 50 метров. Температура ЗП поддерживалась равной 60°С пропусканием тока 520 А. Источник напряжения - испытательный однофазный элегазовый трансформатор типа ИОГ-50. При испытаниях измерялись токи утечки по поверхности ЗП с помощью датчиков, установленных вблизи узлов крепления к опорам. При зафиксированных нижних значениях тока утечки 2-5 мА обнаружены первые признаки электрической эрозии в виде слабого обесцвечивания участка поверхности ЗП вблизи узла крепления (рисунок 8, а). На рисунках 9-10 показана почасовая динамика изменения основной

Рисунок 7 - Высоковольтная установка для испытаний ЗП на трекингостойкость: ТИ - испытательный элегазовый трансформатор типа ИОГ-50; В1, В2 - высоковольтные ввода; Р1, Р2 - распылители солевого тумана; К1, К2 -траверсы концевых заделок; И1-И6 - натяжные изоляционные конструкции; П1-ПЗ -траверсы промежуточных стоек; С1-СЗ - испытуемые ЗП; А1А2, АЗА4 - перемычки для создания пути тока; ТН - элегазовый трансформатор напряжения, ТТ - элегазовый трансформатор тока

а) б)

Рисунок 8 - Следы электрической эрозии поверхности ЗП: а) начальная степень; б) критическая степень

8*

5 5 10 н я

0

1

б

° я

.. II. ||| 11

тштп1П1птшпттпшлп1

ИИННННГII!

пшшммиш

.111 Ш11ШПМ1Ш

пннпиншиг шпшннпшп шшшпнмпп 11111111IIIIIIIII11

I шшмпгш:!

II: «ит—ими

м'.ипипчг.мтт^тпгттиищ

и

8 _

■ I-

■ >. ° я

¿Г

»п—1и;|Ц11этш111111111И111П1—I— шиша 111111111Ш1П пниищщп—дчи^^——I

ГЩ1И1И111 1ЧИ|||:И.Щ|«ИЩ|ГЩЛЯ:Ч1Ч—>ч— и

¡нш1шп:1|г||||нй||1ш1ш111!я1[|||<1ш|11вм1ав||ж111а8а«н1г :|Ш111Ш111111111П1Ш11111|!11111П111111111111|Ша||111ВВ111В1В1В|:

|||ш1пш1!|пш1тш1п111111111111л11ш11п11пщш!11'|!ш1маят1в1.

1111! ||||||||1Ш! III1111! III! 111111:1111111 ||Ш|||Ш|||!Н||!М ||11П111|1И||||1|т! N11111111111:11111 II ШНМПШМШШНИМННМНШПШИШШ'ПтШИП ИШ1II:

III н: ||ПИ11:.1 'III п 111М1 и: н1|М1М11::и!1 и: |п II и: п! 1111:11 |||!111Ш11:1 и. !|||!!1|||11|||Г:|11||||П||1||||||!||||1|||||||||1||ВГ|«|ШаЦ|||||;|»и||||!!1Ш|1|:11

■лгашпгл м мшшшгаш шшм'иашлипмши ммпмшштп

00:00 02«) «МФ 06:00 ОЮО 1000 12Л0 14:00 16:00 И00 »00 22:00 «НЮ 02:00 ЫЛ0 06:00 ОМ» 10Ю0 12.00 14:00 1*00 1*00 2000 22 АО

Время, ч Время, ч

а) б)

Рисунок 9 - Изменение основной гармонической составляющей тока утечки в течение: а) 18-ых суток с начала испытаний; б) 19-ых суток с начала испытаний

имишиммимми

111II1111111111111111

нннннннн

з з зззззззззззззз а а зззеггйзйгяяаа

8 3 333333 33333333 «Я 53358 = 22й2яяай

Дата Дата

а) б)

Рисунок 10 — Частота появления значений 1з/1х за время проведения испытаний в диапазонах:

а) [0,15-Ю,20]; б) [0,21-0,25]

гармонической составляющей тока утечки по поверхности ЗП за период наблюдения с 18 по 21 сутки с начала испытаний. Зафиксировано увеличение основной гармонической тока утечки со значений 6-8 мА до 10-12 мА в течение 10 часов на 18-ые сутки с начала испытаний, что соответствует началу испарения влаги с товерхности ЗП (рисунок 9, а). При этом происходит снижение тока /течки с последующим увеличением вследствие подсушивания и товышения концентрации загрязнений на поверхности ЗП (рисунок 9, >). Выявлены следы существенной трекинговой эрозии поверхности ЗП рисунок 8, б) уже после 543 часов с начала испытаний (21-е сутки), что ггмечалось спадом значения основной гармонической составляющей ока утечки практически в 3 раза до значений 4-5 мА. Определен (иагностический показатель, равный отношению третьей армонической к основной гармонической составляющей тока утечки |з/11. Для возможности его универсального применения с учетом возможного разброса значений указанных гармоник, зависящего от характеристик измерительного оборудования, определены границы (вух диапазонов его изменения [0,15;0,20] и [0,21;0,25]. 1ринадлежность диагностического показателя тому или иному [иапазону позволяет идентифицировать степень электрической эрозии юверхности ЗП. На рисунке 10 представлена временная зависимость [астоты появления диагностического показателя в указанных [иапазонах за время испытаний, что коррелирует со временем 'бнаружения видимых следов трекинговой эрозии поверхности ЗП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненные в диссертации исследования позволили получить ледующие научные результаты:

1. Разработан комплекс усовершенствованных моделей для онтроля состояния ЗП при комплексном воздействии ксплуатационных факторов. В отличие от существующих моделей, разработанных для неизолированных проводов и основанных на юнопараметрической оценке состояния, внесены уточнения, которые юзволяют учесть влияние особенностей конструкции, материалов, ехнологии изготовления и монтажа ЗП и элементов линейной рматуры на динамику изменения состояния ЗП. Такой подход впервые

позволяет учесть одновременно протекание как механических, так и электрических процессов, приводящих к изменению состояния ЗП в эксплуатации.

2. Разработана усовершенствованная модель для контроля состояния ЗП при вибрации в ветровом потоке. На основе модели разработана инженерная методика определения предельной наработки на отказ ЗП.

3. Разработана уточненная ресурсная модель оболочковых материалов ЗП при комплексном воздействии механических и температурных нагрузок. Определены зависимости, устанавливающие связь ресурсных показателей с динамическими свойствами дефектов в защитной оболочке.

4. Для контроля теплового состояния ЗП получены соотношения, позволяющие учесть многослойность конструкции защитной оболочки и наличие дополнительных источников тепловыделений, обусловленных наличием диэлектрических потерь в материале защитной оболочки, а также переходных электрических сопротивлений в местах контактных соединений.

5. Разработана методика определения предельной наработки на отказ оболочковых материалов ЗП на основе контроля изменения массы образцов при тепловом старении. Методика учитывает структурные изменения в материале защитной оболочки.

6. Разработана математическая модель увлажнения ЗП, новизна которой заключается в учете влияния внутренних дефектов в защитной оболочке на динамику проникновения влаги.

7. Разработана высоковольтная установка для контроля состояния ЗП при испытаниях на трекингостойкость. Предложена методика контроля состояния ЗП, позволяющая своевременно идентифицировать ранние признаки электрической эрозии поверхности ЗП при комплексном воздействии электрических полей, увлажнений и загрязнений.

Наиболее значимые публикации по теме диссертации:

1. Соловьев Ю.В. Анализ изменения аэродинамических и прочностных свойств изолированных проводов линий электропередачи в условиях эксплуатационных нагрузок / Ю.В. Соловьев,

А.И. Таджибаев // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2010, № 3, с. 9-14.

2. Соловьев Ю.В. Метод оценки состояния защищенных проводов при электрическом старении в условиях повышенных загрязнений и увлажнений / Ю.В. Соловьев, А.И. Таджибаев, А.Н. Назарычев // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2015, № 1, с. 114-122.

3. Соловьев Ю.В. Анализ условий развития дефектов в полимерных конструкциях оборудования BJI 6-35 кВ с изолированными проводами при гололедно-ветровых нагрузках / Г.Н. Самарин, Ю.В. Соловьев // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2011, №4, с. 63-67.

4. Соловьев Ю.В. О влиянии эксплуатационных характеристик защищенных проводов BJ1 6-35 кВ на отключающую способность коммутационного оборудования / Е.Н. Тонконогов, Ю.В. Соловьев // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2012, № 3, с. 80-84.

5. Соловьев Ю.В. Исследование инструментальной погрешности из-за низкочастотного дрейфа сигнала при термографическом обследовании электрооборудования / А.И. Таджибаев, Ю.В. Соловьев // Надежность и безопасность энергетики, 2010, 1(8), с. 57-59.

6. Solovyev Y. Research of service condition impact on cable polymer insulation / Solovyev Y., Tadzhibaev A.// 20th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution (CIRED), 08-11 June, Prague, 2009. IET conference publications 550. ISBN 978-1-61567-522-7. Volume 1 of 4. pp. 880-884.

7. Solovyev Y.V. Details on technical condition assessment of overhead covered conductors under extreme climatic impacts / Solovyev Y.V., Nazarythev A.N., Tadzhibaev A.I. // Proceedings of 2014 Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ 2014), Rakvere, Estonia, 11-13 June 2014, ISBN 978-M799-5023-2, pp. 379-383.

8. Solovyev Y. Operating Condition Monitoring of Power Supply System's Equipment and Operating Reliability / Nazarythev A., Tadzhibaev A., Solovyev Y. // Proceedings of the 2008 Electric Power Quality and

Supply Reliability Conference (PQ 2008), Pamu, Estonia, 27-29 August 2008, ISBN 978-1-4244-2500-6, pp. 53-56.

9. Соловьев Ю.В. Исследование влияния эксплуатационных факторов на ресурсные свойства полимерных конструкций сетей и линий электропередачи / Ю.В. Соловьев, А.И. Таджибаев, М.К. Ярмаркин // Сборник докладов семинара «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики»: Вып. 61. Проблемы исследования и обеспечения надежности либерализованных систем энергетики. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011, с. 35-43.

10. Соловьев Ю.В. Современные технологии оценки технического состояния полимерной изоляции и изоляционных конструкций / Ю.В. Соловьев, А.И. Таджибаев // Сборник докладов семинара «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики»: Вып. 60. Методические и практические проблемы надежности либерализованных систем энергетики. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010, с. 454-462.

11. Соловьев Ю.В. Учет особенностей эксплуатационных свойств конструкций и материалов защищенных проводов и арматуры в вопросах проектирования BJ1 6-35 кВ / Ю.В. Соловьев // Энергетическая Пальмира 2011: сборник докладов. - СПб.: Изд-во Политех. Ун-та, 2011, с. 144-159.

12. Соловьев Ю.В. Метод учета аэродинамических свойств проводов при оценке технического состояния линий электропередачи / Ю.В. Соловьев, А.И. Таджибаев // Сборник докладов семинара «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики»: Вып. 61. Проблемы исследования и обеспечения надежности либерализованных систем энергетики / Отв.ред. Н.И.Воропай, А.Д. Тевяшев. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011, с. 31-35.

РИЦ Горного университета. 08.09.2015. 3.756. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2015672801

2015672801