автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и автоматизированный комплекс контроля технического состояния бумажно-пропитанной изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов

На правщузШіписи

КУБАРЕВ АРТЕМ ЮРЬЕВИЧ

МЕТОД И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БУМАЖНО-ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

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

и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ¿ПР т

Казань-2012

005018651

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», на кафедре «Электрические станции»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Усачёв Александр Евгеньевич доктор физико-математических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», кафедра «Электрические станции»

Козлов Владимир Константинович доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», зав. кафедрой «Электроэнергетические системы и сети»

Васильев Юрий Александрович кандидат технических наук, ОАО «Сетевая компания», г. Казань, Заместитель директора по эксплуатации

ООО Инженерный центр «Энергопрогресс», г. Казань

-Шщита-состоится 27 апреля 2012 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, тел./факс 8(843)5624330.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета, с авторефератом - на сайте http://www.kgeu.ru

Автореферат разослан марта 2012 г.

Ученый секретарь . п

диссертационного совета, д.ф.-м.н. Калимуллин Рустем Ирекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Силовые кабельные линии с бумажно-пропитанной изоляцией являются одним из основных элементов систем электроснабжения городов, промышленных предприятий и во многом определяют их перспективное развитие. В настоящее время техническое состояние силовых кабельных линий контролируется в основном по состоянию изоляции. Раннее обнаружение нарушений в изоляции кабельных линий позволяет принять своевременные меры по их устранению, а значит и избежать аварийных ситуаций.

В настоящее время, по разным оценкам, от 40% до 80% силового электрооборудования выработало свой ресурс. Это значит, что основной задачей оценки технического состояния электрооборудования, кроме предотвращения аварий, является продление срока эксплуатации вплоть до выработки реального, заложенного в конструкцию при проектировании и изготовлении ресурса работы. Соответственно, возрастает роль методов диагностики электрооборудования в процессе эксплуатации (в режиме реального времени).

Одним из таких методов является метод контроля изоляции по характеристикам частичных разрядов (ЧР). Частичные разряды возникают под действием высокой напряжённости электрического поля в изоляции в местах пониженной электрической прочности, которые представляют собой пробой газовых включений, локальные пробои малых объёмов твёрдого или жидкого диэлектрика. Согласно стандарту международной электроэнергетической комиссии (МЭК 60270) частичный разряд - это локализованный электрический разряд, частично шунтирующий изоляцию между проводниками, который может возникать как в прилегающих, так и в не прилегающих к проводнику объемах изоляции. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электрического поля изоляционной конструкции и электрофизическими характеристиками рассматриваемой области изоляции.

Имея информацию, которую несут за собой импульсы ЧР, можно давать долгосрочные прогнозы о ресурсе высоковольтной изоляции, а это в свою очередь является наиболее ценной информацией в вопросах, связанных с поддержанием нормальных режимов работы электрооборудования, а также с обеспечением надёжности этого оборудования в целом.

Особенно остро эта задача стоит применительно к диагностике кабельных линий с напряжениями 6-10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией ввиду их чрезвычайной распространённости. В соответствии с действующими в России правилами (ПУЭ, 7-е издание), изоляция кабелей должна периодически подвергаться испытаниям повышенным постоянным напряжением. В ряде случаев испытания выполняются переменным напряжением промышленной частоты и повышенным напряжением с частотой 0,1 Гц.

Однако из практики эксплуатации высоковольтных кабельных линий (КЛ) известно, что положительные результаты испытаний повышенным напряжением вовсе не гарантируют последующую безаварийную работу электрооборудования. Так, например, после успешных испытаний

повышенным напряжением КЛ нередко происходит выход их из строя в ближайшие после этого месяцы. Известно, что причина этого - в интенсивном разрушении изоляции частичными разрядами в проблемных местах что приводит к сокращению срока службы КЛ.

И, наконец, испытания повышенным постоянным напряжением не позволяют локализовать проблемные места линий. Наиболее опасны испытания повышенным напряжением для КЛ с большим сроком службы, с низким качеством монтажа или с высоким уровнем ЧР в проблемных местах. В этом случае испытания повышенным напряжением приводят к ускорению старения изоляции и, соответственно, к увеличению уровня ЧР.

В России и за рубежом ведутся интенсивные работы по совершенствованию неразрушающих методов диагностики изоляции и выпуску предназначенной для этого аппаратуры. Эта методы ориентированы как на испытания, не разрушающие изоляцию электрооборудования, так и на методы позволяющие в процессе эксплуатации КЛ получать достоверную информацию о состоянии изоляции и выполнять локализацию проблемных мест на ранней стадии развития дефектов. Принципиально важным вопросом является также оценка результатов диагностики и формулирование заключения. Дня этого необходимо иметь достаточно надежные критерии оценки по известным параметрам ЧР - амплитуде, мощности и частоте следования и т.д. Таким образом, тема данного диссертационного исследования является актуальной.

Объект исследования: объектом исследования являются кабельные линии распределительных сетей среднего напряжения 6-10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией.

Предмет исследования: предметом исследования являются частичные разряды в изоляции кабельных линий.

Цель работы - разработка автоматизированного комплекса и методики контроля изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов.

Основные задачи диссертационной работы.

1. Разработать и создать автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий с применением различных схем подключения для регистрации ЧР.

2. Провести экспериментальные исследования характеристик ЧР в кабельных линиях и их зависимости от величины и формы приложенного напряжения.

3. Разработать систему для тестирования и градуировки измерительных цепей и устройств подключения.

4. Провести моделирование электрических полей в возможных дефектах кабельных линий с целью классификации их по степени опасности для изоляции кабельных линий.

5. Разработать методику определения областей с ослабленной бумажно-пропитанной изоляцией в трёхжильных трёхфазных кабельных линиях.

Методы исследования. При теоретических расчётах использовались современные методы теории поля, методы статистической физики, методы техники высоких напряжений, методы теоретических основ электротехники и

радиотехники, теория физики диэлектриков, элементы теории микроэлектроники, теория электрофизических процессов в газах, методы информационных технологий и основы программирования. При решении задач визуализации и расчета электрических полей в слоистых диэлектриках использовались методы компьютерного и математического моделирования, в частности, метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программном комплексе Comsol 3.5а.

При получении экспериментальной информации был использован электрический метод контроля изоляции.

Для записи и обработки экспериментальных данных использовался программный пакет LGraf2 фирмы «JI-Кард», а также прикладные программы обработки и визуализации характеристик ЧР, созданные в Delphi 7.

Достоверность полученпых результатов и обоснованность выводов определяются использованием современных теоретических и экспериментальных методов исследования и применением новых программных продуктов, совпадением теоретических результатов с полученными экспериментальными данными, сопоставимостью результатов с данными, полученными другими методами. Достоверность полученных результатов обеспечена повторяемостью измерений и их соответствием данным, опубликованным в научной литературе другими исследователями.

Научная новизна работы:

1. Проведён расчёт электрических полей в различных типах дефектов бумажно-пропитанной изоляции кабельных линий методом конечных элементов.

2. Разработана методика определения зон с ослабленной изоляцией трёхжильных трёхфазных кабельных линий электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей.

3. Разработана и апробирована методика градуировки и тестирования автоматизированного комплекса для контроля изоляции кабельных линий на основе характеристик импульсов Тричела.

4. В бумажно-пропитанной изоляции дня схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний установлено два различных типа частичных разрядов.

Практическая значимость работы:

1. Создан автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий, с повышенной точностью определения напряжения зажигания ЧР (фаза ЧР определяется с погрешностью в один градус).

2. Разработанная методика определения дефектных зон в изоляции трёхжильных трёхфазных кабельных линий электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей позволяет определять тип возможного повреждения, т.е. локализовать область развивающегося дефекта.

3. Показана необходимость учёта обоих типов частичных разрядов для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний при контроле изоляции.

Положения, выносимые на защиту:

1. Автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов, состоящий из аппаратной части высокого и низкого напряжения и программной части, основанной на самописце LGra£2 и блоке программ, созданных на Delphi 7.

2. Результаты расчёта электрических полей моделей дефектов различных размеров и форм в изоляции кабельных линий 6-10 кВ.

3. Методика определения зон с ослабленной изоляцией в трёхжильных трёхфазных кабельных линиях электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей.

4. Способ тестирования и градуировки измерительной системы с применением тестового генератора наносекундных импульсов на основе электродной системы «игла-плоскость» в режиме импульсов Тричела.

5. Обнаружение двух типов частичных разрядов для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний в бумажно-пропитанной изоляции кабелей, характеризующихся импульсами тока и импульсами напряжения.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ХП, ХШ и XV Международных научно-технических конференциях студентов и «жиранте® «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006, 2007 и 2009); на Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию Ф.З. Тинчурина «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России» (Казань, 2006); на П, Ш, IV и V Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007, 2008, 2009, 2010); на Всероссийской научно-практической конференции по инновационному развитию агропромышленного комплекса (Казань, 2009, 2010); на Восьмом ежегодном семинаре «Методы и средства контроля изоляции высоковольтного электрооборудования» по специальному вопросу семинара: «Локация мест возникновения частичных разрядов в изоляции высоковольтного электрооборудования» (Пермь, 2011); на XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий (Казань, 2008).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 14 научных публикациях, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах процесса в разработке и создании измерительного комплекса (создание установки высокого напряжения, устройства подключения, изготовление тестового генератора, программного комплекса сбора и анализа данных), в

проведении экспериментальных исследований, в интерпретации и анализе полученных теоретических и экспериментальных результатов, написании научных статей, в подготовке докладов и в выступлениях на научных конференциях.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и затрагивает следующие области исследования Паспорта специальности:

1) построение новых моделей дефектов различных размеров и форм в изоляции кабельных линий 6-10 кВ с целью ранжирования дефектов по степени их опасности при контроле состояния изоляции соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;

2) разработка и создание измерительного комплекса для диагностики изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 86 рисунков, 5 таблиц и 3 приложения; список цитируемой литературы включает 76 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор темы, ее актуальность и значимость, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены научные и практические результаты, а также защищаемые положения. Даны структура и краткое содержание глав диссертации, сведения о публикациях и апробации работы.

Первая глава носит обзорный характер. В ней изложены сведения о природе частичных разрядов, методы их исследований, достоинства и недостатки имеющейся аппаратуры, сформулированы основные требования к разработке измерительного комплекса. Там же отмечается назначение и область применения разрабатываемого комплекса, технические, конструктивные и эксплуатационные требования.

Вторая глава содержит результаты расчётов электрических полей в моделях возможных дефектов изоляции КЛ методом конечных элементов (МКЭ), реализованном в программе Согшо1 3.5а в модуле «Электростатика» с визуализацией полученных результатов. При расчётах электрических полей использовалось уравнение:

-у-ае0е,.-ук=гр,

(I)

д . д . д

где ~ оператор Набла, е, - диэлектрическая проницаемость

среды, е0 - электрическая постоянная, V - электрический потенциал, ф -объёмная плотность электрического заряда.

В первую очередь были рассмотрены единичные дефекты, которые свойственны слоистой изоляции бумажно-пропитанных кабельных линий. По значениям напряжённости электрического поля, как в дефекте, так и вне его были определены количественные и качественные показатели опасных зон в дефектах.

В таблице 1 приведены коэффициенты неоднородности электрического поля в дефектах различной формы К.

тг _ Ешх

где Емах- максимальная напряжённость электрического поля в дефекте, а Еср -средняя напряжённость поля в изоляции, определяемая по формуле Ecl=U/d, в которой d - расстояние между обкладками эквивалентного конденсатора. Значение средней напряжённости 5 МВ/м. В результате расчётов установлено, что коэффициент неоднородности электрического поля К не зависит СП-размеров дефектов, а зависит только от их формы.

Вид дефекта Коэффициент неоднородности поля

¡.Металлический заусенец на обкладке электрода 5

2. Металлический опилок 10-16

3. Газовый клин 4

4. Масляный клин 1,4

5. Газонаполненная полость на стыке лент 3

6. Масляная прослойка 1,4

7. Газовый сфероид 3-4

8.Сферическое газовое включение 2

Из результатов расчёта можно сделать вывод, что напряжение возникновения ЧР (фаза возникновения ЧР) зависит от формы дефекта и коэффициента неоднородности электрического поля. Чем больше коэффициент неоднородности поля в дефекте, тем ниже напряжение зажигания ЧР в нём.

Поскольку К не зависит от размера дефекта, то напряжение зажигания в дефектах одной формы одинаково.

На основании представленных моделей единичных дефектов была построена двумерная модель (с реальными размерами сечений токоведущих жил и изоляции) трехфазного трёхжильного кабеля марки ААШвУ на 10 кВ (рис. 2).

а) б) с)

Рис. 2. Кабель ААШвУ 10 кВ: а - черная жила - потенциал 10 кВ; экран, красная и жёлтая жилы - заземлены; б - чёрная, красная и жёлтая жилы под потенциалом 10 кВ, а экран - заземлён; с - чёрная и красная жилы - под потенциалом 10 кВ, а жёлтая жила и экран - заземлены.

На рис. 2 показаны результаты компьютерного моделирования в среде Согшо1 3.5а, которые демонстрируют различные распределения электрического поля в различных зонах поперечного сечения кабеля. Сечение кабеля условно разделено на 6 зон, которые поочерёдно можно подвергать воздействию электрического поля, тем самым диагностируя различные промежутки изоляции. Например, в варианте (а) воздействию поля будут подвергаться зоны 1, 5, 4, а в зонах 2, 6, 3 поле будет отсутствовать, а это значит, что дефекты, даже если они и присутствуют, в этих областях диагностироваться не будут.

Основываясь на данных компьютерного моделирования с использованием МКЭ, была предложена методика определения дефектных зон в изоляции трёхжильных трёхфазных кабельных линий электропередач на основании распределения электрических полей и на различных способах подключения измерительных устройств, высоковольтных и заземлённых электродов. Подвергая изоляцию КЛ поочерёдному воздействию электрического поля в соответствующих зонах и измеряя характеристики ЧР, такие как количество ЧР, амплитуду, амплитудно-фазовое распределение и.т.д., можно производить контроль изоляции в соответствующих зонах и выявлять процесс прогрессирующего развития ЧР, предсказывая тип возможного повреждения.

В третьей главе описан автоматизированный комплекс контроля изоляции КЛ. Применялись следующие схемы измерения ЧР на переменном напряжении промышленной частоты: 1.«Включение сигнального сопротивления в ветвь заземления объекта испытаний» (ГОСТ 20074-83);

2.«Включение измерительного элемента в ветвь заземления измерительного конденсатора»; 3.Варианты схем 1 и 2 для измерений на постоянном напряжении. Далее в главе описывается программная часть комплекса для сбора, обработки и визуализации данных характеристик ЧР.

Схема подключения к клеммам высокого напряжения представлена на рис. 3, а.

Рис. 3: а - электрическая схема высоковольтной части автоматизированного комплекса контроля изоляции KJI (1 клеммы источника высокого напряжения, 2 - киловольтметр С1-96, 3 - измерительные приборы (осциллограф и АЦП), Сои - ёмкость объекта испытаний ZH - полное сопротивление измерительного элемента, Z - защитное сопротивление, ZVar - подстроечный резистор, Р -защитное устройство); б - осциллограмма, снятая с сопротивления измерительного элемента (по оси ординат - амплитуда в вольтах, ось абсцисс -время в миллисекундах)

Аппаратно-программный комплекс был протестирован с помощью электродной системы «игла-плоскость», которая была использована как тестовый генератор наносекундных импульсов, работающий в режиме импульсов Тричела. Были определены параметры импульсов Тричела, такие как передний фронт и постоянная времени спада. Длительность переднего фронта составила 9 не, а постоянная времени - 150 не. Данные характеристики хорошо согласуются с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

На созданной установке были проведены тестовые измерения импульсов Тричела при различных значениях постоянного и переменного напряжений. Некоторые из результатов обработки с помощью разработанных прикладных

программ представлены в виде амплитудно-фазового и количественно-фазового распределения импульсов Тричела на рис. 4.

§ 1113

3

л

|

С! 3 к о с; о К ЕГ

148

Рис. 4. Амплитудно-фазовое и количественно-фазовое распределение в системе «игла-плоскость».

Полученное распределение хорошо согласуется с теорией возникновения импульсов Тричела. На рис. 4 показано, что импульсы Тричела практически симметрично распределяются относительно максимума отрицательной полуволны переменного напряжения частоты 50 Гц, т.е. так, как и следует из теории развития разрядов. Наличие же положительных выбросов, как известно из литературы, связано с качественным скачком и переходом коронного разряда в начальную стадию биполярной короны.

На основании совпадения проведённых тестовых измерений и их обработай в виде распределений (рис. 4) с теоретическими и экспериментальными результатами исследований импульсов Тричела других авторов был сделан вывод о работоспособности измерительного комплекса.

В четвёртой главе представлены результаты проведённых экспериментальных исследований характеристик ЧР в образцах кабеля марки ААШвУ 10 кВ. Был произведён анализ способов подключения сигнальных цепей в соответствии с разработанной методикой выявления дефектов в различных зонах изоляции трёхфазных трёхжильных кабелей.

Для проверки методики были проведены эксперименты по измерению характеристик ЧР при различных вариантах подключения сигнальных цепей. На рис. 5 представлен один из таких экспериментов, которому соответствует распределение полей (рис. 1, б) с тремя вариантами подключения измерительных цепей и цепей заземления.

В каждом из представленных вариантов время записи файла данных характеристик ЧР составило 60 сек. Результаты приведены для переменного напряжения 50 Гц с действующим значением 4,5 кВ. Расположение высоковольтного электрода не менялось на протяжении всей серии экспериментов. После обработки файлов данных с характеристиками ЧР

, ч , с и ев ? и ' и ■ .;::..; Импульсы Тричела

Л И

1

■ а и : * ; ; в ; - !:

1 « ¡¡5 < ■ ' ш в ■«: к " : V \ ч

ИМ 1 1 ш - < 41 «я Ю 1 «80 'Л» О» 23! 1 1 1 | 1 1:1

80 90 100 110120 180 230 240 250 260 270 280 290 300 310

Фаза в градусах

количесгаеішо-фазовое распределение ЧР и распределение мощности ЧР

¡0 40 5060 7080 90

ісо -із 123 і» и; *:50 1'с іфо т 2|

Фаза в градусах 180 20і

Таблица 2. Количество ЧР в трёх вариантах подключения сигнальных цепей

Вариант Количество ЧР (шт.) Мощность ЧР, мкВт контролируемые зоны неконтролируемые зоны

а 68183 1,6 1 4,5,6

б 85898 7,7 1,3 4,5,6

с 92652 9,3 1,2,3 4,5,6

Объём изоляции, от которой возможна регистрация ЧР, в варианте (а) меньше, чем в варианте (б), а в варианте (б) меньше, чем в (с). Из таблицы 2

производилось сравнение количества ЧР в случаях а, б, с, как показано на рис. 6. В результате получены следующие количественные показатели (Таблица 2).

Экран ВН

Экран ВН

Рис. 5. Варианты подключения сигнальных линий к образцу кабеля

сигнал

сигнал

ш

Рис. 6. Типичная картина количественно-фазового распределения и распределения мощности в зависимости от фазы возникновения частичных разрядов в кабеле

видно, что в зависимости от способа проводимого эксперимента увеличивается объём и увеличивается количество ЧР, а также их мощность. Поскольку в каждом из приведённых вариантов измерений остаются не диагностируемые зоны, очевидно, что для поиного контроля ЧР следует проводить измерения и при других конфигурациях электрических полей и способах подключения сигнальных цепей и цепей заземления. Некоторые из вариантов конфигураций электрических полей показаны на рис. 1.

В каждом из экспериментов наблюдались разряды, показанные на рис. 3,6 и названные разрядами 1-го и 2-го типов. Амплитуда сигналов типа '1 практически не изменялась при изменении величины сигнального сопротивления (рис. б), что хорошо объясняются с точки зрения модели многослойной изоляции. Амплитуда сигналов типа 2 изменяется по закону Ома в зависимости от величины сигнального сопротивления, что позволяет интерпретировать эти сигналы как броски тока при ЧР, а не броски напряжения для представленной схемы (рис 3,а). Данный тип разрядов для схемы с включением сигнального сопротивления в ветвь заземления ранее не описывался в литературе и напрямую существующей моделью изоляции не объясняется. Сделано предположение, что такие разряды появляются для протяженных дефектов. Следует отметить, что оба типа разрядов будут выглядеть как разряды 1-го типа при наиболее распространённой схеме измерения ЧР, когда сигнал снимается с высоковольтного электрода через разделительный конденсатор. В этой схеме также наблюдаются сигналы, внешне похожие на сигнал 2-го типа, но связанные с бросками напряжения от внешних помех.

Некоторыми специалистами вопрос об учете «ЧР 2-го типа» опускается в связи с отнесением таких ЧР к сигналам помех, что, действительно, в определённых случаях можно объяснить существованием либо положительной, либо отрицательной короны. Но в проведённом эксперименте (таблица 2) отчётливо наблюдается зависимость суммарного количества всех типов ЧР от способа подключения сигнальных цепей и цепей заземления. Из этого можно сделать вывод, что нельзя относить ЧР 2-го типа только лишь к внешним эффектам, так как из вышеприведённых данных видно, что рост числа ЧР связан с внутренними объёмами изоляции, поскольку положение высоковольтного электрода на протяжении всех серий экспериментов не изменялось.

В заключении приводится перечень основных результатов и выводов диссертационной работы.

В приложениях 1-3 приводятся коды программ обработки файлов данных с ЧР при переменном и постоянном напряжении, а также код программы расчёта градировочного заряда.

Основные результаты и выводы диссертационного исследования

1. Был разработан и создан автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов с повышенной точностью определения напряжения зажигания ЧР (фаза ЧР определяется с погрешностью в один градус), состоящий из аппаратной части

высокого и низкого напряжения, и программной части, основанной на самописце LGraf2 и блоке программ на Delphi 7.

• Созданный автоматизированный комплекс контроля изоляции позволяет определять все характеристики ЧР по ГОСТ 20074-83 и МЭК-60270 (амплитудно-фазовое, количественно-фазовое распределение, средний ток ЧР, мощность ЧР и.т.д.)

Электрическая схема комплекса отличается от стандартной наличием перестраиваемого сопротивления в цепи заземления, что позволило обнаружить новый тип ЧР (тип 2), не диагностировавшийся ранее, при использовании наиболее часто использующейся схеме с включением измерительного элемента в ветвь заземления измерительного конденсатора.

2. Проведён расчёт электрических полей в моделях дефектов различных размеров и форм в изоляции кабельных линий 6-10 кВ. Определены превышения напряжённости электрического поля в дефектах по сравнению со средней напряжённостью поля между обкладками эквивалентного конденсатора. Визуально показано взаимное влияние для каждой группы дефектов одного типа. Из результатов моделирования простых дефектов можно сделать вывод о том, что значение пробивной напряжённости не изменится с пропорциональным увеличением размеров дефекта, а будет зависеть только лишь от формы дефекта и взаимного расположения дефектов относительно друг друга. Это означает, что напряжение зажигания (фаза возникновения) ЧР для дефектов различной величины и одинаковой формы будет одинаковым.

3. Предложена новая методика определения областей с ослабленной изоляцией в трёхжильных трёхфазных кабельных линиях электропередач, основанная на измерении характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей.

4. Разработан способ тестирования и градуировки автоматизированного аппаратно-программного комплекса с применением тестового генератора наносекундных импульсов на основе электродной системы «игла-плоскость» в режиме импульсов Тричела.

5. Для бумажно-пропитанной изоляции кабелей обнаружено два типа частичных разрядов для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний, характеризующихся импульсами тока и импульсами напряжения.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1 Кубарев А.Ю. Новые методы обработки частичных разрядов в кабельных линиях / Лотфуллин Р.Ш., Кубарев А.Ю., Нгуайя М.Л., Кубарев Ю.Г. II Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2010. -№3(17).-С. 95-97.

2. Кубарев А.Ю. Исследование коэффициентов отражения и прохождения электромагнитных волн в слоистых диэлектрических структурах / Лотфуллин PJII., Нгуайя М.Л., Кубарев А.Ю., Кубарев Ю.Г. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2010. - №4(18) -С. 114-116.

3. Кубарев А.Ю. Методика обнаружения опасных зон в изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов / Кубарев AJO., Усачёв А.Е., Лопухова Т.В. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. -2012. -№1 - 2. - С. 79-83.

4. Кубарев А.Ю., Моделирование дефектов в бумажно-пропитанной изоляции кабельных лиши! распределительных сетей среднего напряжения / Кубарев А.Ю., Усачёв А.Е. // Энергетика Татарстана. - 2011. -№2(22). - С. 5255.

5. Кубарев А.Ю. Выделение слабых сигналов из шумов фрактального типа / Кубарев А.Ю., Усачев А£. И Двенадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: материалы докладов. Т. 3. М.: Изд-во МЭИ, 2006.-С. 401-402.

6. Кубарев А.Ю. Выделение слабых сигналов из шумов случайной природы / Кубарев А.Ю., Усачев А.Е., Малинин P.A. П Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т. 3. М.: Изд-во МЭИ, 2007. -С. 336-337.

7. Кубарев А.Ю. Использование нового класса преобразований случайных функций при анализе слабых сигналов / Кубарев А.Ю., Усачев А.Е. // Материалы докладов П Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Т. 2. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2007. - С. 18-19.

8. Кубарев AJO. Исследование дефектного электрооборудования с помощью электромагнитных полей / Кубарев А.Ю., Усачев А.Е. // Материалы докладов П Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Т. 2. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2007. - С.16-17.

9. Кубарев А.Ю. Мобильный измерительный комплекс для диагностики частичных разрядов / Кубарев А.Ю., Усачев А.Е. // Материалы докладов Ш Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Т. 1. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2008. - С. 28-29.

10. Кубарев А.Ю. Электромагнитные методы контроля дефектных изделий и материалов / Минамона Лор Нгуайя, Кубарев AJO., Кубарев Ю.Г. // Сборник материалов XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внугрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Ч. 1. Казань: КВАКУ, 2008. - С. 65-66.

11. Кубарев А.Ю. Диагностика частичных разрядов с помощью технологии виртуальных приборов / Кубарев А.Ю., Усачев А.Е. // Пятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: материалы докладов. Т. 3. М.: Изд-во МЭИ, 2009. - С. 389-390.

12. Кубарев AJO. Определение вида и уровня помех при диагностике электрооборудования по характеристикам частичных разрядов / Струнова A.B., Кубарев А.Ю., Усачев А.Е. // Материалы докладов IV Международной

молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Т. 1. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2009. - С. 35-36.

13. Кубарев А.Ю. Частичные разряды в изоляции кабельных линий / Струнова A.B., Кубарев AJO., Усачев А.Е. // Материалы докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Т. 1. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2010. - С. 63-64.

14. Кубарев А.Ю. Использование нового класса преобразований случайных функций при анализе частичных разрядов / Лотфуллин Р.Ш., Кубарев AJO., Кубарев Ю.Г. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие агропромышленного комплекса». Ч. 2. Казань: Казан, гос. аграрн. ун-т, 2010. - С. 179-181.

Подписано к печати 16.03.2012 г. Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1.0 Усл. печ. л. 0,94 Уч.-изд. л. 1.0

Тираж 100 экз._Заказ N«¿/¿/5" _

Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

61 12-5/2310

ФГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

МЕТОД И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БУМАЖНО-ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

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

и изделий

КУБАРЕВ АРТЕМ ЮРЬЕВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Усачёв А.Е.

Казань - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................5

1. ИСТОРИЯ НАБЛЮДЕНИЙ И ПРИРОДА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ..................................................................14

1Л. Частичные разряды при эксплуатации электрооборудования среднего и высокого напряжения......................................................................14

1.2. Физические процессы в электрической изоляции, при образовании частичных разрядов...........................................................................16

1.2.1. Структура технической изоляции высоковольтного оборудования и условия образования локальной повышенной напряжённости электрического поля..............................................................................................16

1.2.2. Физические процессы в изоляции под действием электрического поля..............................................................................................21

1.2.3. Механизмы образования частичных разрядов ........................24

1.3. Регистрация и измерение частичных разрядов..............................27

1.3.1. Порядок и нормы испытаний................................................27

1.3.2. Характеристики частичных разрядов, используемые при диагностике....................................................................................29

1.3.3. Схемы регистрации частичных разрядов ................................32

1.3.4. Общий порядок измерения характеристик частичных разрядов.....36

1.3.5. Калибровка системы измерения ЧР.......................................38

1.3.6. Определение вида и уровня помех........................................39

1.4. Современное состояние диагностики высоковольтных кабельных линий по методу частичных разрядов....................................................42

1.4.1. Измерение частичных разрядов в режиме мониторинга...............45

Выводы..................................................................................47

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ В БУМАЖНО-ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6 - 10 кВ ........................................49

2.1. Бумажно-пропитанная изоляция...............................................49

2.2. Моделирование и расчёт с помощью метода конечных элементов....51

2.2.1. Моделирование единичных дефектов в бумажно-масляной изоляции................................................................................ 53

2.2.2. Трёхмерная модель плоского конденсатора..............................69

2.3. Визуализация электрических полей в кабельных линиях при различных конфигурациях эксперимента...............................................72

Выводы....................................................................................

3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЧАСТОТНЫХ РАЗРЯДОВ..................................78

3.1. Разряд во включении на примере модели многослойной изоляции...78

3.2. Лабораторная установка для измерения характеристик частичных разрядов при постоянном напряжении...................................................80

3.2.1. Многоканальный регистратор самописец ЬОгарЬ. 2....................84

3.2.2. Параметры аналого-цифрового преобразователя (АЦП)..............86

3.3. Тестирование лабораторной установки, линий связи и измерительной системы с использованием характеристик импульсов Тричела.....................88

3.3.1. Тестирование на постоянном напряжении...............................88

3.3.2. Тестирование измерительной системы на переменном

напряжении............................................................................92

3.3.3. Описание программного комплекса.......................................93

3.4. Метод тестирования и градуировки измерительной системы, с помощью тестового генератора работающего в режиме импульсов Тричела.. .99

Выводы.................................................................................Ю4

4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТНЫХ ЗОН В ИЗОЛЯЦИИ ТРЁХЖИЛЬНЫХ ТРЁХФАЗНЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ НА ОСНОВАНИИ КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ....................................105

4.1. Описание методики............................................................105

4.2. Определение параметров импульсов частичных разрядов в бумажно-масляной изоляции..........................................................................Ц2

4.3. Обработка данных контроля изоляции образцов кабеля при переменном испытательном напряжении промышленной частоты 50 Гц......116

4.4. Анализ схем регистрации частичных разрядов...........................123

4.5. Способы выделения сигналов от частичных разрядов из шумового фона.............................................................................................127

4.5.1. Функция Вейерштрасса-Мандельброта.................................127

4.5.2. Метод накопления для частичных разрядов............................132

4.5.3. Новый класс преобразований случайных функций при анализе частичных разрядов.........................................................................136

Выводы.................................................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................142

ЛИТЕРАТУРА........................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................152

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Силовые кабельные линии с бумажно-пропитанной изоляцией являются одним из основных элементов систем электроснабжения городов, промышленных предприятий и во многом определяют их перспективное развитие. В настоящее время техническое состояние силовых кабельных линий контролируется в основном по состоянию изоляции. Раннее обнаружение нарушений в изоляции кабельных линий позволяет принять своевременные меры по их устранению, а значит, и избежать аварийных ситуаций.

В настоящее время, по разным оценкам, от 40% до 80% силового электрооборудования выработало свой ресурс. Это значит, что основной задачей оценки технического состояния электрооборудования, кроме предотвращения аварий, является продление срока эксплуатации вплоть до выработки реального, заложенного в конструкцию при проектировании и изготовлении ресурса работы. Соответственно, возрастает роль методов диагностики электрооборудования в процессе эксплуатации (в режиме реального времени).

Одним из таких методов является метод контроля изоляции по характеристикам частичных разрядов (ЧР). Частичные разряды возникают под действием высокой напряжённости электрического поля в изоляции в местах пониженной электрической прочности, которые представляют собой пробой газовых включений, локальные пробои малых объёмов твёрдого или жидкого диэлектрика. Согласно стандарту международной электроэнергетической комиссии (МЭК 60270) частичный разряд - это локализованный электрический разряд, частично шунтирующий изоляцию между проводниками, который может возникать как в прилегающих, так и в не прилегающих к проводнику объемах изоляции. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электрического поля изоляционной конструкции и электрофизическими характеристиками рассматриваемой области изоляции.

Имея информацию, которую несут за собой импульсы ЧР, можно давать долгосрочные прогнозы о ресурсе высоковольтной изоляции, а это в свою очередь является наиболее ценной информацией в вопросах, связанных с поддержанием нормальных режимов работы электрооборудования, а также с обеспечением надёжности этого оборудования в целом.

Особенно остро эта задача стоит применительно к диагностике кабельных линий с напряжениями 6-10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией ввиду их чрезвычайной распространённости. В соответствии с действующими в России правилами (ПУЭ, 7-е издание), изоляция кабелей должна периодически подвергаться испытаниям повышенным постоянным напряжением. В ряде случаев испытания выполняются переменным напряжением промышленной частоты и повышенным напряжением с частотой 0,1 Гц.

Однако из практики эксплуатации высоковольтных кабельных линий (КЛ) известно, что положительные результаты испытаний повышенным напряжением вовсе не гарантируют последующую безаварийную работу электрооборудования. Так, например, после успешных испытаний повышенным напряжением КЛ нередко происходит выход их из строя в ближайшие после этого месяцы. Известно, что причина этого - в интенсивном разрушении изоляции частичными разрядами в проблемных местах, что приводит к сокращению срока службы КЛ.

И, наконец, испытания повышенным постоянным напряжением не позволяют локализовать проблемные места линий. Наиболее опасны испытания повышенным напряжением для КЛ с большим сроком службы, с низким качеством монтажа или с высоким уровнем ЧР в проблемных местах. В этом случае испытания повышенным напряжением приводят к ускорению старения изоляции и, соответственно, к увеличению уровня ЧР.

В России и за рубежом ведутся интенсивные работы по совершенствованию неразрушающих методов диагностики изоляции и выпуску предназначенной для этого аппаратуры. Эти методы ориентированы как на испытания, не разрушающие изоляцию электрооборудования, так и на методы,

позволяющие в процессе эксплуатации КЛ получать достоверную информацию о состоянии изоляции и выполнять локализацию проблемных мест на ранней стадии развития дефектов. Принципиально важным вопросом является также оценка результатов диагностики и формулирование заключения. Для этого необходимо иметь достаточно надежные критерии оценки по известным параметрам ЧР - амплитуде, мощности и частоте следования и т.д. Таким образом, тема данного диссертационного исследования является актуальной.

Объект исследования: объектом исследования являются кабельные линии распределительных сетей среднего напряжения 6-10 кВ с бумажно-

пропитанной изоляцией.

Предмет исследования: предметом исследования являются частичные

разряды в изоляции кабельных линий.

Цель работы - разработка автоматизированного комплекса и методики контроля изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов. Основные задачи диссертационной работы.

1. Разработать и создать автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий с применением различных схем подключения для регистрации ЧР.

2. Провести экспериментальные исследования характеристик ЧР в кабельных линиях и их зависимости от величины и формы приложенного напряжения.

3. Разработать систему для тестирования и градуировки измерительных

цепей и устройств подключения.

4. Провести моделирование электрических полей в возможных дефектах кабельных линий с целью классификации их по степени опасности для

изоляции кабельных линий.

5. Разработать методику определения областей с ослабленной бумажно-

пропитанной изоляцией в трёхжильных трёхфазных кабельных линиях.

Методы исследования. При теоретических расчётах использовались современные методы теории поля, методы статистической физики, методы

техники высоких напряжений, методы теоретических основ электротехники и радиотехники, теория физики диэлектриков, элементы теории микроэлектроники, теория электрофизических процессов в газах, методы информационных технологий и основы программирования. При решении задач визуализации и расчета электрических полей в слоистых диэлектриках использовались методы компьютерного и математического моделирования, в частности, метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программном комплексе Cortisol 3.5а.

При получении экспериментальной информации был использован электрический метод контроля изоляции.

Для записи и обработки экспериментальных данных использовался программный пакет LGraf2 фирмы «JI-Кард», а также прикладные программы обработки и визуализации характеристик ЧР, созданные в Delphi 7.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов определяются использованием современных теоретических и экспериментальных методов исследования и применением новых программных продуктов, совпадением теоретических результатов с полученными экспериментальными данными, сопоставимостью результатов с данными, полученными другими методами. Достоверность полученных результатов обеспечена повторяемостью измерений и их соответствием данным, опубликованным в научной литературе другими исследователями.

Научная новизна работы:

1. Проведён расчёт электрических полей в различных типах дефектов бумажно-пропитанной изоляции кабельных линий методом конечных элементов.

2. Разработана методика определения зон с ослабленной изоляцией трёхжильных трёхфазных кабельных линий электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей.

3. Разработана и апробирована методика градуировки и тестирования автоматизированного комплекса для контроля изоляции кабельных линий на основе характеристик импульсов Тричела.

4. В бумажно-пропитанной изоляции для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний установлено два различных типа частичных разрядов.

Практическая значимость работы:

1. Создан автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий, с повышенной точностью определения напряжения зажигания ЧР (фаза ЧР определяется с погрешностью в один градус).

2. Разработанная методика определения дефектных зон в изоляции трёхжильных трёхфазных кабельных линий электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей позволяет определять тип возможного повреждения, т.е. локализовать область развивающегося дефекта.

3. Показана необходимость учёта обоих типов частичных разрядов для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний при контроле изоляции.

Положения, выносимые на защиту:

1. Автоматизированный комплекс для контроля изоляции кабельных линий по характеристикам частичных разрядов, состоящий из аппаратной части высокого и низкого напряжения и программной части, основанной на самописце LGra£2 и блоке программ, созданных на Delphi 7.

2. Результаты расчёта электрических полей моделей дефектов различных размеров и форм в изоляции кабельных линий 6-10 кВ.

3. Методика определения зон с ослабленной изоляцией в трёхжильных трёхфазных кабельных линиях электропередач на основании измерения характеристик частичных разрядов при различных конфигурациях электрических полей.

4. Способ тестирования и градуировки измерительной системы с применением тестового генератора наносекундных импульсов на основе электродной системы «игла-плоскость» в режиме импульсов Тричела.

5. Обнаружение двух типов частичных разрядов для схемы с включением измерительного элемента в ветвь заземления объекта испытаний в бумажно-пропитанной изоляции кабелей, характеризующихся импульсами тока и импульсами напряжения.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII, XIII и XV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006, 2007 и 2009); на Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию Ф.З. Тинчурина «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России» (Казань, 2006); на II, III, IV и V Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007, 2008, 2009, 2010); на Всероссийской научно-практической конференции по инновационному развитию агропромышленного комплекса (Казань, 2009, 2010); на Восьмом ежегодном семинаре «Методы и средства контроля изоляции высоковольтного электрооборудования» по специальному вопросу семинара: «Локация мест возникновения частичных разрядов в изоляции высоковольтного электрооборудования» (Пермь, 2011); на XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий (Казань, 2008).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 14 научных публикациях, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах процесса в разработке и создании измерительного комплекса (создание установки высокого напряжения, устройства подключения, изготовление

тестового генератора, программного комплекса сбора и анализа данных), в проведении экспериментальных исследований, в интерпретации и анализе полученных теоретических и экспериментальных результатов, написании научных статей, в подготовке докладов и в выступлениях на научных

конференциях.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и затрагивает следующие области исследования Паспорта специальности:

1) построение новых моделей дефектов различных размеров и форм в изоляции кабельных линий 6-10 кВ с цел�