автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Мониторинг перенапряжений и диагностика изоляции городских кабельных сетей

На правах рукописи

РГБ 01

ЛАРИОНОВ ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

МОНИТОРИНГ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ДИАГНОСТИКА ИЗОЛЯЦИИ ГОРОДСКИХ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2000

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете и Барнаульской городской электрической сети.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Горелов Валерий Павлович; кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Овсянников Александр Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Манусов Вадим Зиновьевич; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ивановский Александр Львович

Ведущая организация - ОАО Сибирский проекгно - изыскательский и научно- исследовательский институт электрических систем и электрических сетей

Защита состоится " 49 " мая 2000 г. в 10 часов в 112 аудитории на заседании диссертационного Совета Д. 116.05.03 в Новосибирской государственной академии водного транспорта по адрес)" 630099, г. Новосибирск,

ул. Щетинкина, 33.

/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирской государственной академии водного транспорта.

Автореферат разослан " 43 " апреля 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д. 116.05.03 кандидат технических наук, доцент ' З.Ф. Тонышев

Шй.Мб -са,03!-5-0$. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Надежное электроснабжение элекгропотреби-телей современной городской инфраструктуры невозможно без надежной работы распределительных кабельных сетей, достигающих по протяженности сотен километров. В процессе эксплуатации кабельные линии подвергаются тепловым, механическим и электрическим перегрузкам, что приводит к ускоренному старению и пробою изоляции кабелей.

Тепловые перегрузки определяются схемой и режимом работы сети. Механические повреждения обусловлены недостатками заводских технологий, низкой культурой производства земляных и монтажных работ в строительных и эксплуатирующих организациях, а также коррозионным износом оболочек.

Возникновение в сети перенапряжений, связанных с различного рода коммутациями или с ненадежной работой самой изоляции кабелей, приводит к их отказам, недоотпускам электроэнергии и дополнительным материальным затратам сетевых предприятий. Координация изоляции кабельных сетей должна исходить из уровня и длительности воздействующих перенапряжений, определяемых реальной схемой сети. Однако до настоящего времени нет четких представлений об уровнях воздействующих перенапряжений, возникающих при однофазных дуговых замыканиях (ОДЗ). Имеющиеся гипотезы относительно процессов при ОДЗ дают только некоторый диапазон возможных кратностей перенапряжений. Реальный их уровень в конкретной сети можно установить только путем длительных наблюдений, однако, известная аппаратура не пригодна для этой цели либо по техническим характеристикам, либо по цене.

Значительная часть повреждений связана с локальным старением изоляции в местах дефектов заводского происхождения или в муфтах. Такие места должны выявляться профилактическими испытаниями, но нормативные методы испытаний не выявляют некоторые виды дефектов и небезопасны для здоровой изоляции. На уровне практической реализации отсутствуют эффективные неразрушаюгцие методы диагностики состояния изоляции кабелей и арматуры. Потенциально хорошими дефектоскопическими возможностями обладают методы регистрации частичных разрядов (ЧР) и регистрации абсорбционных процессов. Однако для бумажной изоляции с вязкой пропиткой конкретные проработки, подтверждающие эффективность данных методов, отсутствуют.

Целью работы является повышение надежности и эффективности эксплуатации КЛ. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать отказы КЛ и определить наиболее характерные из них. Выявить достоинства и недостатки существующих и нетрадиционных методов профилактического контроля изоляции.

2. Выполнить научную и опытно - конструкторскую разработку комплекса аппаратуры для мониторинга аварийных событий в кабельной сети.

3. Путем последовательной установки комплекса в нескольких участках сети организовать систематическое наблюдение вида, формы и кратнос-тей перенапряжений, в том числе при искусственных однофазных глухих и дуговых замыканиях на землю. Обобщить результаты мониторинга аварийных событий.

4. Провести испытания ограничителей перенапряжения ОПН - 10 и оценить их остаточный ресурс после нескольких лет эксплуатации в сети.

5. Разработать экспериментальные образцы аппаратуры для контроля увлажнения изоляции методами регистрации токов абсорбции и возвратных напряжений.

6. Провести экспериментальные исследования диэлектрических характеристик образцов изоляции кабелей и муфт. Разработать технические требования к аппаратуре для регистрации ЧР в кабелях под рабочим напряжением.

7. Провести стендовые и эксплуатационные испытания аппаратуры, отработать элементы методики и выработать критерии контроля изоляции по характеристикам абсорбционных процессов и частичных разрядов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ И ОСНОВНЫХ ЕЁ РЕЗУЛЬТАТОВ

Получены детальные данные по характеристикам переходных процессов, сопровождающих различные аварийные и плановые события в кабельной сети 6... 10 кВ: перенапряжениям, токам однофазных дуговых замыканий на землю, их гармоническому составу и др. Получены новые экспериментальные данные и разработаны основы методики регистрации возвратных напряжений и токов абсорбции в изоляции кабелей. Разработана методика регистрации характеристик ЧР в кабелях под рабочим напряжением и локации места их возникновения. Разработаны технические требования к схемам регистрации и аппаратуре, предназначенной для мониторинга

аварийных событий и диагностики изоляции КЛ по абсорбционным процессам и характеристикам ЧР.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

РАБОТЫ

Разработаны, изготовлены и прошли эксплуатационную проверь экспериментальные образцы регистратора аварийных событий в кабельной сети (РАС), регистратора возвратных напряжений (РВН) и регистратора ЧР на основе цифрового осциллографа с соответствующим программным обеспечением для измерений и обработки результатов. Разработанные приборы использовались для диагностики состояния КЛ б... 10 кВ в городских сетях Барнаула и Новосибирска.

ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов обеспечивалась проведением контрольных испытаний и измерений на аттестованном оборудовании центра сертификационных испытаний "СибЭНЕРГОТЕСТ" при Сиб-НИИЭ. Испытания и измерения проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.2 - 97, 12179 - 66, 10783 - 64 и других нормативных документов. Кроме того, при оценках чувствительности и метрологической точности измерений упрощения в расчетах и обработке результатов были выполнены с запасом по отношению к нежелательным следствиям возможных ошибок.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на выставках и конференциях РАО "ЕЭС России" ЛЭП - 98 и ЛЭП - 99, заседаниях координационного Совета по диагностике электрооборудования ОЭС "Уралэнерго" (1998 и 2000 г.г.), заседаниях кафедры ТЭВН НГТУ, технических советах Барнаульской горэлек-тросети. По теме диссертационной работы опубликованы 4 статьи.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Результаты экспериментальных измерений и мониторинга перенапряжений и токов при аварийных и плановых коммутациях КЛ.

2. Результаты экспериментальных исследований характеристик ЧР, возвратных напряжений и токов абсорбции в изоляции образцов и реальных кабелей.

3. Основы методики и критерии диагностики состояния изоляции кабелей по абсорбционным характеристикам и характеристикам ЧР.

4. Технические требования и результаты научно-технической разработки комплекса аппаратуры для диагностики изоляции кабелей.

ОБЪЕМ И КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Диссертационная работа изложена на 136 страницах машинописного текста, иллюстрируется 59 рисунками и 23 таблицами. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 113 наименований и двух приложений.

Первая глава посвящена анализ)' отказов КЛ в Барнаульской горэлек-тросети и методов их профилактического контроля. В результате анализа выявлены недостатки регламентированных методов контроля, нерешенные вопросы в создании новых методов, поставлены цели и задачи работы.

Во второй главе представлены результаты разработки регистратора аварийных событий и полученные с его помощью данные двухлетнего мониторинга переходных процессов при аварийных событиях и плановых коммутациях КЛ в различных точках сети.

В третьей главе показана преобладающая роль в отказах КЛ процессов локального увлажнения изоляции, изложены основы теории абсорбционных процессов, приведены результаты измерений возвратных напряжений и токов абсорбции, изложены технические требования к аппарату ре для регистрации абсорбционных характеристик. Представлены результаты стендовых и натурных испытаний экспериментальных образцов аппаратуры.

В четвертой главе рассмотрены вопросы диагностики КЛ по характеристикам ЧР. Приведены результаты лабораторных исследований образцов кабелей и их статистической обработки. Описаны опыты регистрации ЧР в условиях эксплуатации. Сформированы технические требования к схеме и аппаратуре, предложена методика регистрации ЧР в кабелях под рабочим напряжением.

В заключении резюмируются основные выводы по резу льтатам работы.

В приложениях представлены таблицы технических данных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для мониторинга перенапряжений был разработан регистратор аварийных событий (рис. 1). Комплекс состоит из емкостных делителей напряжения и трансформаторов тока аналоговых каналов, АЦП с устройством выборки и хранения с внутренней памятью емкостью 64Кх 11 бит и компьютера.

г™

Ч--------!

МОДЕМ

_____]

Рис. 1. Структурная схема РАС.

Программная часть комплекса разработана таким образом, что позволяет осуществлять сбор измерительной информации из буфера АЦП при превышении уровнями напряжения на шинах или измеряемого тока заданного порогового значения; при этом, одновременно регистрируется предава-рийный режим сети.

В течение двух с половиной лет измерительный комплекс устанавливался на различные питающие пункты (ПП) городских электрических сетей с целью регистрации перенапряжет™ на шинах секций (рис.2) при различного рода аварийных режимах и плановых коммутациях.

Рис. 2. Схема подключения регистратора Основные результаты мониторинга перенапряжений

Первый опыт регистрации перенапряжений получен для участка сети с компенсацией тока замыкания на землю, предварительно определенная величина которого по данным схемы сети составляла 45 А. Осциллограммы переходного процесса при естественном ОДЗ показывают (рис. 3), что максимальные перенапряжения в переходном процессе не превышают 20 кВ (2,4 ифт). Повторные пробои в дуговом промежутке в начальной фазе происходят при напряжении 0,8... 1,2 11фт, а в дальнейшем снижаются до 0,6... 0,7 11фт (рис.4). Анализ осциллограмм показывает, что степень компенсации тока замыкания на землю явно недостаточна. Это подтверждает кривая восстанавливающегося напряжения на поврежденной фазе. О степени настройки ДГР ориентировочно можно судить по скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе в режиме устойчивого горения душ. Восстанавливающееся напряжение в предположении гашения тока дуги при переходе им нулевого значения приближенно можно определить как:

u%*(t) = U4>*\sin cot - sin fit exp(-dt Д (1)

где р=(ЦгрЗСф)"05 при пренебрежении активными потерями, 8 - дек-

ремент.

Я -5

Время (мс)

Рис. 3. Осциллограммы напряжений при ОДЗ (начальная фаза, 1 секция

шинГПП-8)

Время, мс

Рис.4. Осциллограммы напряжений при установившемся ОДЗ (время

горения дуги 30 с) 9

Тогда по амплитуде напряжения на каком-либо полупериоде колебаний (как правило, на третьем и более полупериоде происходит повторный пробой) можно оценить частоту собственных колебаний в контуре нулевой последовательности, по которой может быть определен коэффициент компенсации фазной емкости.

Степень раскомпенсации (%)

Рис.5.

На рис. 5 приведена зависимость амплитуды второго полупериода колебаний восстанавливающегося напряжения от степени раскомпенсации фазной емкости сети при пренебрежении активными потерями. Знак раскомпенсации определяется фазой свободных колебаний: при совпадении фазы первого полупериода свободных колебаний с вынужденной составляющей колебаний имеет место недокомпенсация, при несовпадении -перекомпенсация. Так, анализ осциллограмм на рис.3 и 4, указывает на недокомпенса-цию емкости сети на уровне 30%.

При регистрации тока в ДГР по осциллограммам процессов можно более достоверно судить о точности настройки ДГР. Осциллограммы напряжений и токов в точке сети, где одновременно с напряжениями фиксировался ток ДГР, приведены на рис.6, а и б. Частота свободных колебаний тока р составляет лишь 185 рад/сек, что соответствует коэффициенту' компенсации фазной емкости К=р2/ш2=0,347. Осциллограмма переходного процесса иллюстрирует неустойчивый характер горения дуги, которое продолжается не более трех периодов промышленной частоты. От периода к периоду' горение дуги сопровождается увеличением напряжения повторного пробоя, которое в последнем случае достигает линейного напряжения. Значительная пере-

ходная составляющая, возникающая при последнем пробое, тем не менее, не вызывает существенных перенапряжений на неповрежденных фазах из-за отсутствия высокочастотной переходной составляющей. Максимальные перенапряжения, так же как и в случае устойчивого горения дуги (рис.3), не превышают величины порядка 2,4 ифт .

Осциллограммы напряжений на шинах ГПП-8 при ОДЗ (вторая секция шин)

!з -5

X.

■10 -15

-20

1 • 1 \ Л

\ : 1 \ \\ / д \

' } \ • Г ■. А '"Л : \ ' А .'/V \ '. :1

П'Л ПШ\Л

о,* ц\ Аэ |Аг <А /А | ^ Ф \э/|о Д' ^ * у т- тД,' Г* Я (О р Ю • (М (О [см ^ со^ 4- /ю« т- (о\а ю\/о Лл|с 'г- V /от О О у-у сч

чЛ/ '-Л\] \ \д| '.» V \ \7\ ; 1 •и Д 1 / \ •,/ \ ■ ' \ / / \ / \ ■ '

-в .VI 1 V • > 1 * л 1 ч/М \ V/ ^ У

* ' * 'ЧУ ■■ .'

Время, мс

Ток в ДГР

л л

с 1 гЛ сЛю /со \со / о 1 ^ \ю 1 N1 а СО Т Ф ® Ь Г ^ /о N. И) Г) СМ V ¿1 N то >о <7> <± СМ П /О (О Ь Ю 0>Ь /сы СО зую (О 1ЧХО)

\ I

1

Время, мс

Рис. 6

Следует отметить, что правильная настройка ДГР часто не может быть осуществлена из-за неточной информации о схеме сети и типах используе-

мых кабелей. Обработка регистрируемой информации позволяет определить требования к компенсации токов замыкания на землю, исходя из реальных емкостных проводимостей кабельной сети.

Заметная повторяемость каскадных повреждений кабельных линий в рассмотренной электрической сети и незначительный уровень зарегистрированных перенапряжений, в том числе и коммутационных, а также существенная недокомпенсация емкостных токов замыкания на землю указывает на возможность возникновения перенапряжений резонансного характера. Одно из таких событий, связанное с "мерцающим" обрывом жилы кабеля, было зарегистрировано.

Обработка результатов регистрации аварийных событий и сопоставление ее с записями диспетчеров подстанций показывает, что большой поток аварийных коммутаций остается неучтенным в силу быстротечности событий, а также неспособности средств релейной защиты и автоматики регистрировать аварийные режимы сети и реагировать на некоторые виды повреждений, например, режимы неустойчивого ОДЗ с длительностью горения дуги вплоть до нескольких минут и др. В то же время информация по этим повреждениям необходима для целенаправленного ремонта и профилактических испытаний кабелей.

Эффективность непрерывного мониторинга перенапряжений многократно увеличится при организации постоянного сбора информации об аварийных и анормальных режимах работы сети. Последнее достигается включением комплексов в системы телеметрии и телемеханики.

Совершенствование методов испытаний изоляции КЛ

Анализ повреждаемости показал, что увлажнение изолящш является одной из главных причин аварийных повреждений КЛ. Локальные увлажнения изоляции возникают в местах повреждения оболочки, связанных с наличием заводских технологических дефектов (продольные трещины, вмятины, порезы, "гофры" и т.д.), дефектами, появившимися при прокладке и монтаже, а также при коррозии.

Одним из наиболее эффективных способов обнаружения локальных увлажнений изолящш могут стать методы регистрации абсорбционных процессов. Это явление связано с миграционной поляризацией, представляющей собой перенос заряда под действием приложенного напряжения и накопление его на границе раздела по поверхностям материалов, имеющих различные диэлектрическую проницаемость и проводимость (рис. 7).

+

(11

(32

е1, е1

+ + + + + + + + + + + +

52,

= = С1 ПЮ. Лкиз __Сг

qaбc

С2 №

J

Яа Са

а

б

Рис.7. Двухслойная изоляция плоского конденсатора и схемы её замещения.

= 41« - Ч2<* = и^С, - и2*С2 = и1

При подаче напряжения на обкладки конденсатора при соблюдении условия С1 * С2происходит накопление заряда на поверхности раздела материалов. Он равен разности зарядов на емкостей слоев (рис. 7,6):

к,С, -Я2С2

где ц1с0, q2oo, и 1ю и и 2оо — заряды и напряжения на емкостях С1 и С2 при 1-»ос. В ряде случаев для анализа абсорбционных процессов удобнее схема замещения рис. 7,в. Входящие в нее элементы имеют определенный физический смысл:

IIу = Я, + Я2 — сопротивление утечки изоляции в установившемся режиме;

С - ^

г с,+с2

сокой частоте;

-геометрическая ёмкость изоляции при бесконечно вы-

с (а,с,-к,с2)1_ _ал2(^1Мс1±с1)1_абсоо

(К1+К2)2(С1+С2) — абс°р-

бционная ёмкость, характеризующая накопление заряда на границе раздела сред и абсорбционное сопротивление, характеризующее совместно с Са скорость накопления заряда.

в

При подаче постоянного напряжения через изоляцию будет протекать

ток:

¡(1)=1иО)+1г(()+<а(1), (3)

где /ц — ток через сопротивление Яу (постоянная составляющая); ¿г(1) = изар Сг 50 (I) — ток зарядки геометрической ёмкости;

Г

и ~ /? С

/ (г) - -^-е ° а — ток абсорбции. у Я

а

Отметим, что в литературе можно встретить также понятия токов поляризации и деполяризации, эквивалентные, соотвественно, токам зарядки и разрядки, и объединяющие их название - абсорбционные токи. В ряде случаев качество изоляции определяют по коэффициенту абсорбции:

кабс ~ г, , ИЛИ Кобс ~ . . (¿п\ , (5)

Скорость спада тока абсорбции зависит от степени неоднородности изоляции. Чем больше увлажнена изоляция, тем больше сквозной ток и тем меньше постоянная времени абсорбционной цепочки. В результате ток абсорбции спадает достаточно быстро, и в интервале 15—60 секунд 1СКВ »¡а,

а величина кабс оказывается близкой к единице. В неувлажненной изоляции поляризационные процессы протекают медленно. В интервале 15 — 60 секунд происходит заметное изменение ¡а, а ток ¡скв мал, поэтому коэффициент абсорбции больше единицы.

Возвратное напряжение отлично от нуля для любой неоднородной изоляции:

г г

и =ип(е^ -е"^), (4)

^ еозвр ^ 01 /

гае и0 = Ча6с/С1 + С2.

Чем больше степень неоднородности, тем выше возвратное напряжение и тем сильнее различаются скорости его подъема и спада. Однако, не всегда ухудшение качества изоляции сопровождается ростом напряжения

и>отвр. Например, при сквозном и равномерном увлажнении изоляции возвратное напряжение невелико.

Для определения требований к аппаратуре для регистрации абсорбционных характеристик как к объекту разработки автором проводились измерения возвратного напряжения в изоляции нескольких КЛ. Установлено, что наличие какой-либо неоднородности в твердой изоляции вносит заметный вклад в динамику возвратного напряжения. Один из опытов проводился с кабелем у которого был пробой в концевой муфте. Она была отрезана, но других действий не производилось. Получили (см. также нижнюю кривую на рис. 8): Я15= 400 МОм, 1160 = 420 МОм; Л60/ Я15= 1,05. Видно, что изоляция кабеля обладает достаточно низкими характеристиками, в т.ч. Кг, аи=и приI =10 минут.

в в махе г ■>

и, В

10000

С

----- - возвратное напряжение до удаления плохого конца

возвратное напряжение после удаления плохого конца

Рис.8. Возвратное напряжение в кабеле 10 кВ.

С целью проверки предположений об увлажнении или сохранившихся от пробоя концевой муфты повреждений изоляции сначала была проведена стандартная операция разделки, которая привела к заметному изменению сопротивлений изоляции, но почти не повлияла на кривую изменения возвратного напряжения. После этого был отпилен отрезок кабеля длиной 2,5 м, в котором были обнаружены следы сажи, оставшиеся от пробоя концевой муфты. Полученные при втором опыте результаты описываются верхней кривой на рис. 8 и следующими величинами сопротивлений: И]5 = 4,5 ГОм; Я60= 6,5 ГОм; Я15 Я160= 1,44. Таким образом, удаление "ослабленного" участка кабеля привело к увеличению на порядок сопротивлений и значи-

тельному росту коэффициента абсорбции. До 32,5 минут увеличилась длительность процесса нарастания на кабеле возвратного напряжения и на 7,8 % его максимальное значение.

На основе полученного опыта измерения были сформированы основные технические требования к регистратору возвратных напряжений (РВН). Простейший вариант функциональной схемы (рис.9) включает мегометр (или источник высокого напряжения), механический переключатель режимов работы с делителями высокого напряжения и цифровой осциллограф PCS -64i.

Рис. 9

Испытания экспериментального образца РВН были проведены на реальных кабелях и в реальной электромагнитной обстановке распределительных подстанций БГЭС. На рис. 10 приведена осциллограмма возвратных напряжений в исправном кабеле длиной 140 м. Кабель заряжался от внутреннего источника цифрового измерителя токов абсорбции (см. ниже) напряжением всего 1 кВ. В процессе зарядки были измерены следующие параметры: Я15= 3,6 ГОм; Л60= 5 ГОм; Я15 /Л60= 1,4. Возвратное напряжение на обеих испытуемых фазах синхронно достигло максимума уже через 2 минуты и составило 196 В, т.е. около 20 % от и . Относительно быстрое нарастание возвратного напряжения, величина ив мшс и высокие сопротивления изоляции говорят о ее хорошем качестве.

2QmV SDrr.V" 5С

Рис. 10. Возвратные напряжения на двух жилах исправного кабеля (РП

624, КЛ 749). Амплитуда возвратного напряжения 196 В или 0,2 (и )

16

20тУ 20пУ 2005

^ ФазаА

Фаза С ▲

Цикл зарядки, и = 2,5кВ Разрядка Возвратные напряжения

Рис. 11. Полный цикл испытаний двух фаз кабеля (РП 667, КЛ 624)

Несколько иная ситуация сложилась с КЛ 624 (1240 м ) на РП 667. Перед стандартными профилактическими испытаниями был проведен опыт по измерению возвратных напряжениях, в котором получили резкое различие в поведении кривых возвратного напряжения на двух фазах А и С (см. рис.11). Так на фазе С возвратное напряжение достигло максимума 62 В (2,5 %) примерно за 100 секунд, а еще через 200 секунд упало и колебалось около нуля все оставшееся время наблюдения, т.е. около часа. На фазе А в том же опыте наблюдалось монотонное возрастание ив до максимума в 480 В на 20 -й минуте и еще более медленный спад. Сопротивления изоляции фаз на напряжении 2,5 кВ составляли: фаза А имела И15= 300 МОм; Я60 = 400 МОм; Л*60 = 1,33; фаза С - Я15= 250 МОм; Я60 = 300 МОм; Я15 /Л60 = 1,2. В испытаниях на напряжении 50 кВ токи утечки в изоляции фазы А были порядка 0,3 мА, а в фазе С - 0,4 мА, т.е. они не превышали нормируемого предельного значения в 0,5 мА. Однако после включения кабеля в работу через несколько минут появился сигнал о наличии "земли" на фазе С, а после оно перешло в двухфазное замыкание, и кабель был отключен. В месте повреждения помимо следов дугового оплавления было обнаружено коррозионное разрушение свинцовой оболочки со стороны секторной жилы фазы С. По-видимому, увлажнение изоляции через поврежденную оболочку и послужило первопричиной пробоя. Можно также предполо-

жить, что увлажнение не было сквозным по всей толще изоляции, иначе это привело бы к снижению сопротивления. Однако, увлажнение заметно повлияло на характер и параметры кривой возвратного напряжения и привело к пробою изоляции КЛ.

На кривых Ц в в КЛ с пробитой изоляцией наблюдались наводки от блуждающих в земле токов, затекающих на оболочку кабеля и далее через место замыкания жил поврежденных фаз с оболочкой на эти жилы, и затем по емкостной связи - на здоровую фазу. Этот результат в наибольшей степени убедил нас в том, что, несмотря на всю привлекательность упрощенного варианта аппаратуры, требуемого соотношения "сигнал - шум" можно достичь только специальной схемотехнической разработкой. Кроме того, трудность выполнения переключателя режимов на более высокие уровни зарядных напряжений и высокий уровень внутренних помех от искрения контактов при переключениях побудили автора считать более перспективной регистрацию токов абсорбции.

На данном этапе автор сформировал основные технические требования к аппаратуре для регистрации токов абсорбции в изоляции кабелей. По этим требованиям специалистами ЗАО "ЦНИТЭ" был разработан и проходит стадию опытной эксплуатации цифровой измеритель токов абсорбции ЦИТА-1 (рис. 12).

сопротивления и ключи

Рис. 12. Функциональная схема цифрового измерителя токов абсорбции

ЦИТА-1.

В состав прибора входят: встроенный источник постоянного высокого напряжения 2,5 кВ (допускается совмещать измерения токов абсорбции со стандартными испытаниями изоляции от внешних источников высокого

18

напряжения) и делитель высокого напряжения; измерительные шунты, 4 программируемых усилителя постоянного тока с высокоомным входным сопротивлением и коммутатор (мультиплексор); аналого-цифровой преобразователь; порт связи и персональный компьютер типа "NoteBook".

Принцип работы прибора состоит в следующем. Источник высокого напряжения подает напряжение на одну из фаз относительно оболочки испытуемого кабеля. Величина напряжения контролируется с помощью высо-юэомного делителя напряжения ДВН и цепи измерения: программируемый усилитель ПУ1, коммутатор К, аналого-цифровой преобразователь АЦП, порт связи ПС и персональный компьютер ПК. В момент времени, когда напряжение на объекте достигает 2,5 кВ или другой нормируемой величины, по команде компьютера электронные ключи раскорачиваюг измерительные сопротивления, и сигналы с них, пропорциональные величине тока абсорбции, поступают на входы программируемых усилителей ПУ2..ПУ4. Выходные сигналы со всех усилителей с помощью коммутатора К передаются поочередно на АЦП и далее в компьютер. В итоге на компьютере строится 4-х канальная гистограмма зависимостей параметров от времени: U(t), IA(t),

IB(t), Ic(t).

Испытания прибора ЦИТА -1 проводились с разработчиком (инж. Лазарев Е. А.). В первых опытах исследовались зависимости тока "абсорбции" в образцах, моделирующих схему замещения увлажненной изоляции (рис. 7). В целом, зарегистрированные картины изменения токов в цепях и суммарного тока подтвердили рассмотренные выше теоретические представления об абсорбционных процессах в неоднородной изоляции.

tinc-<o.at

Рис. 13. Токи абсорбции в локально увлажненной межфазной изоляции

кабеля 19

На рис. 13 приведены результаты регистрации тока абсорбции в искусственно увлажненной в концевой муфте межфазной изоляции кабеля ААГ 3*240 10 кВ длиной 290 м. Нестабильность тока абсорбции проявилась на третьей минуте приложения напряжения.

Диагностика изоляции КЛ по характеристикам ЧР. В первой части экспериментов на десятках образцов кабелей и муфт были определены основные диэлектрические характеристики изоляции. Установлена значимая корреляционная связь кратковременной электрической прочности с некоторыми из этих характеристик. Предложены регрессионные выражения, связывающие напряжение пробоя с токами проводимости, тангенсом угла диэлектрических потерь и напряжением возникновения частичных разрядов. Определен износ изоляции кабелей в некоторых участках сети. Тем самым показана возможность оценки старения изоляции кабелей методами неразрушающего контроля.

В реальной сети было проведено несколько опытов регистрации ЧР. В первом опыте был применен датчик в виде импульсного трансформатора тока в цепи заземляющего проводника на концевой муфте. Осциллограмма сигналов ЧР и помех, полученная на цифровом осциллографе РБС 641, приведена на рис. 14,а.

И

0.2т$

l0.1V

г--

ц

5У

IV

С,2тз

ив

ЧР в ф.В

Рис. 14. Цифровые осциллограммы сигналов ЧР в кабелях на РП 624: а, б - КЛ 749, КЛ 750; в - КЛ 750. Расположение датчиков: а - датчик в цепи заземления оболочки; б и в - датчик ЧР в цепи заземления конденсатора связи. Вид ЧР: а - ЧР в изоляции "жила - земля"; б - ЧР в межфазной изоляции (фазы В и С); в - мощные ЧР в муфте ?

Временной интервал между прямым и отраженным сигналом составлял 2,84 мкс, что соответствует пробегу волны по кабелю на расстояние 454,4 метра. Реальная длина кабеля была по проектной документации 284 м. Это означало, что источник ЧР находился на расстоянии 122 метра от точки регистрации, т.е. там, где была врезана ремонтная муфта, в изоляции которой и горели ЧР.

Измеренные в том же кабеле с помощью подсоединенных к жилам конденсаторов связи (Сс> = 400 пФ, Яти = 7 Ом) сигналы ЧР на двух фазах имели строго симметричный, но разнополярный вид (рис. 14,6), что дало возможность идентифицировать их как сигналы ЧР в межфазной изоляции. В фазе В соседнего кабеля наблюдались сигналы значительно большей амплитуды, которые с некоторыми сомнениями были отнесены к мощным ЧР в концевой муфте. На рис. 14,в эти сигналы приведены вместе с кусочком полупериода напряжения отрицательной полярности на этой же фазе (сигнал взят с ТН). На принадлежность сигналов к ЧР указывает их положительная полярность и фазовое расположение в периоде.

На рис.15 приведены осциллограммы сигналов, полученные на вторичных обмотках трансформаторов тока. Емкость меящу обмотками использовалась здесь как конденсатор связи. Это второй по простоте способ организации схемы измерений после метода регистрации электрических сигналов в цепи заземления оболочки кабеля. По сравнению с первым он обеспечивает большую чувствительность, а главное, возможность различать по виду сигналов тип ЧР (сравни рис. 15,аиб).

Рис. 15. Осциллограммы ЧР в изоляции силовых кабелей и шин ГПП - 8: а - ЧР в межфазной изоляции; б, в - ЧР в изоляции "фаза -земля".

К сожалению, инду ктивная реакция обмоток достаточно сильно искажала форму сигналов, придавая им колебательный характер (рис.15, в) и внося неконтролируемые временные задержки. Данное обстоятельство затруднило локацию места возникновения ЧР методом рефлектометрии. Еще хуже эта ситуация выглядела при попытке регистрировать сигналы ЧР непосредственно с шин питающей подстанции: большое число как самих сигналов так и отраженных импульсов и помех практически исключило возможность интерпретации полученной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан аппаратно - программный измерительный комплекс РАС на базе персональной ЭВМ, позволяющий в автоматическом режиме осуществлять мониторинг напряжений на шинах станций и подстанций, а также тока в нейтрали ДГР в распределительных сетях 6...10 кВ. Обработка результатов регистрации перенапряжений при естественных ОДЗ в компенсированных сетях 10 кВ показала, что максимальные перенапряжения в переходных процессах не превышали уровня порядка (2,4...2,5) ифишс , несмотря на значительные переходные составляющие напряжения в режиме горения дуги. Это говорит о нецелесообразности установки в рассмотренных, достаточно разветвленных кабельных сетях дополнительных ограничителей перенапряжений (ОПН) с уровнями ограничения, близкими к 2,8 ифма1сс, т.е. с уровнями типичными для большинства современных разрядников и ОПН, предназначенных для установки в сети с изолированной нейтралью. Испытания нескольких ОПН -10 кВ после нескольких лет эксплуатации показали, что защитные характеристики и остаточный ресурс аппаратов удовлетворяют нормиру емым требованиям. Неисчерпанность ресурса также косвенным образом подтверждает вывод о невысоких кратностях перенапряжений.

Анализ кривых восстанавливающихся напряжений и осциллограмм токов в ДГР показал, что в большинстве случаев сети работают со значительной недокомпенсацией емкостных токов замыкания на землю.

Важный, в методическом плане, вывод напрашивается из результатов гармонического анализа токов однофазного замыкания на землю. Хотя действующее значение суммы всех токов высших гармоник в исследованных участках сети не превышает 10 А, необходимо помнить о том, что даже при идеальной компенсации тока первой гармоники общий ток не станет равным нулю, а останется равным указанному суммарному току высших гармоник. К нему добавляется и активная составляющая, в среднем, около 1А на секцию.

Обработка результатов регистрации аварийных событий и сопоставление ее с записями диспетчеров подстанций показывает, что большинство неустойчивых однофазных замыканий оказываются незарегистрированными средствами релейной защиты и дежурным персоналом. В то же время информация по этому виду повреждений может служить отправной для оценки надежности работы, профилактических испытаний и ремонта КЛ.

Установлено, что основными причинами локального увлажнения изоляции являются повреждения оболочки. Рассмотрена физическая картина абсорбционных процессов и обоснована перспективность диагностики увлажненной изоляции по результатам их регистрации. Проведены исследования и разработан экспериментальный образец регистратора возвратных напряжений РВН. Разработаны технические требования к аппаратуре для измерения токов абсорбции в изоляции кабелей. На их основе сторонней организацией создан экспериментальный образец цифрового измерителя токов абсорбции ЦИТА -1. Испытания приборов РВН и ЦИТА -1 подтвердили возможность выявления локального увлажнения изоляции кабелей по динамике изменения и величине возвратного напряжения и токов абсорбции.

Экспериментально определены основные диэлектрические характеристики изоляции образцов кабелей и муфт. Установлена значимая корреляционная связь кратковременной электрической прочности с некоторыми го этих характеристик. Предложены регрессионные выражения, связывающие напряжение пробоя с токами проводимости, тангенсом утла диэлектрических потерь и напряжением возникновения ЧР. Определен износ изоляции кабелей в некоторых участках сети. Таким образом доказана возможность оценки старения изоляции кабелей методами неразрушающего контроля.

Проведены исследования сигналов ЧР и особенностей их распространения в кабелях, определены основные методические аспекты практической диагностики изоляции кабелей по характеристикам ЧР. Показана возможность локации места расположениядефекгов и последующего достоверного определения кажущегося заряда ЧР с учетом внесенного затухания. Предложены признаки селекции сигналов ЧР от помех и селекции ЧР в поясной и междуфазовой изоляции. Сформулированы основные технические требования к полосе пропускания и чувствительности регистрирующей аппаратуры, рекомендованы варианты комплектации схем регистрации ЧР. На основе испытаний предложены предельные значения величины кажущегося заряда и среднего тока ЧР.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Голдобин Д.А., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г., Хейфман О.Г. О применении и диагностике состояния ОПН-Ю в Барнаульской горэлектро-сети. /Информационный бюллетень "Диагностика средств защиты от перенапряжений и заземляющих устройств" Регионального Совета специалистов "Уралэнерго" по диагностике электрооборудования, Пермская ГРЭС, февраль 1998 г. - Екатеринбург: ОЭС "Уралэнерго". - 1998.

2. Ларионов В.Н. Некоторые вопросы прогнозирования современной энергетики /Труды Алтайского Гос. Техн. Университета им. И.И.Ползунова. Выпуск 7: Наука, практика, образование. - Барнаул: Изд-во АлГТУ. - 1997. -С. 239-241.

3. Голдобин ДА., Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. Мониторинг перенапряжений в распределительных кабельных сетях //Научный вестник НГТУ. - № 2 (5). - С. 109 - 116.

4. Ларионов В.Н., Качесов В.Е., Овсянников А.Г. Мониторинг аварийных событий в городских кабельных сетях 10 кВ. /В сб. докладов "Диагностика силового электрооборудования" Регионального Совета специалистов "Уралэнерго" по диагностике электрооборудования, Средне -Уральская ГРЭС, февраль 2000 г. - Санкг - Петербург: ПЭИПК. - 2000.

Подписано в печать 06.03.2000 с оригинал-макета

Бумага офсетная № 1, формат 60 х 84 1/16 , печать офсетная.

Усл. печ. л. 1,3 , тираж 100 экз., заказ № 112 Бесплатно

Новосибирская государственная академия водного транспорта (НГАВТ), 630099 Новосибирск ул. Щетинкина, 33.

Лицензия ЛР№ 021257 от 27.11.97

Отпечатано в отделе оформления НГАВТ.