автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации кабельных линий 6-10 кВ в системах электроснабжения на основе неразрушающей диагностики

На правах рукописи

Лебедев Геннадий Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6-10 кВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность 05 09 03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

003066201

Москва 2007

003066201

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Московского энергетического института (технического университета)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Кудрин Борис Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лозенко Валерий Константинович

доктор технических наук, профессор Жилин Борис Владимирович

доктор технических наук, профессор Журавлев Валерий Георгиевич

Ведущая организация: ООО «Евро-Азиатская энергетическая компания »(г Новокузнецк)

Защита диссертации состоится 19 октября 2007 г в аудитории № М 611 в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д212157 02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, г Москва, Красноказарменная ул д 13

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью организации) просим направлять по адресу 111250, г Москва, Красноказарменная ул, д 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Автореферат разослан « ■{& » 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 157 02 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение современных технологий и совершенствование существующего промышленного производства, рост электропотребления у населения и в сфере услуг, повышение экологических требований ведут к ежегодному росту электропотребления на 2-5 % по регионам Российской Федерации Это увеличивает протяженность сетей передачи и распределения электрической энергии, и в частности, кабельных линий (КЛ), которым отводится значительная роль в системах электроснабжения промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства на крупных предприятиях и в крупных городах они стали практически единственным способом передачи и распределения электроэнергии КЛ относятся к дорогостоящим, ответственным и долговременным элементам систем электроснабжения Большинство объектов таких отраслей промышленности как химическая, нефтехимическая, металлургическая, потребители многих организаций, служб жилищно-коммунального хозяйства по требованиям к обеспечению электрической энергией относятся к потребителям первой категории При сохранении потребителей второй категории и уменьшении третьей появились объекты, требующие три независимых ввода (источника питания) при двух и более резервных генерирующих мощностях Это увеличивает кабельные потоки Поэтому повышение надежности силовых КЛ - одна из важнейших задач обеспечения надежного электроснабжения потребителей.

Как известно, запас прочности кабелей предлагается по результатам научных исследований, рассчитывается на стадии конструирования и проектирования, а при изготовлении заводом электротехнической промышленности принимает конкретное значение Этот запас и определяет уровень надежности кабелей в эксплуатационных условиях Увеличение уровня эксплуатационной надежности можно достигнуть совершенствованием технологии производства (изготовления), применением новых изоляционных материалов, конструкций и оболочек кабелей Однако создать абсолютно надежное кабельное изделие невозможно технически и не оправданно экономически Поэтому основной задачей при эксплуатации кабеля является сохранение его запаса прочности, точнее, поддержание уровня надежности, заложенной заводом-изготовителем на рассчитываемый срок

В реальных условиях эксплуатации на протяженный кабель воздействует множество разрушающих факторов, большинство из которых являются случайными Эти воздействия ведут к снижению уровня надежности КЛ Для сохранения нормативного ресурса или для повышения эксплуатационной надежности силовых кабелей до требуемого уровня применяют разнообразные мероприятия К ним можно отнести защиту кабелей в траншеях и при открытой прокладке, строительство защитных кабельных сооружений (кабельные туннели и каналы, кабельные эстакады, шахты и др ), повышение квалификации обслуживающего персонала, повышение технической оснащенности служб, занимающихся профилактикой, монтажом и ремонтом электрических сетей

Однако это не исключает отказа кабелей из-за естественного старения

\чЬ

изоляции, наличия в них заводских дефектов, механических и иных ошибочных воздействий При серийном производстве и массовом применении кабелей имеется вероятность появления в их изоляции дефектов из-за разного рода ошибок, возникающих как в процессе изготовления, транспортировки, монтажа, так и во время эксплуатации, вследствие неучтенных внешних воздействий, изменения уровня поверхностных вод и роста агрессивности грунта, обычные для городов и металлургической промышленности Поэтому, чтобы существенно снизить вероятность аварийного повреждения изоляции кабеля, используется система контроля их состояния на основе различных профилактических мероприятий

КЛ - наиболее трудно проверяемые элементы системы электроснабжения на предмет их технического состояния Несмотря на это, исследование их изоляции в условиях эксплуатации имеет большую практическую значимость и является обязательным

Большой вклад в исследование характера отказов и обеспечение надежности кабельных линий, разработку и внедрение методов контроля изоляции электрооборудования внесли работы П В Борисоглебского, С М. Братина, А.И Долгинова, В И Погарского, В Ф Воскресенского, М Е Иерусалимова, И А Сыромятникова, А. А Косовского, А М Залесского, Г И. Лысаковского, С С Городецкого, В Б Кулаковского, Р М. Лакерника, В Т Рене, К С. Архангельского, Г.И Разгильдеева, С А Бажова, Л Г Мамиконянца, П И Сви, Ю С Пин-таля, АМ Хомякова, МИ Рапопорта, СН Койкова, ГС Кучинского, ГМ Шалыта, В С Дмитревского и др

Возникающие в последнее время аварии в электроэнергетике России и других стран приводят к нарушению электроснабжения промышленных и бытовых потребителей и, как следствие, к большому экономическому ущербу Одной из главных причин аварий является моральный и физический износ электрооборудования и электрических сетей В частности, более 95 % кабельных линий 3-6-10-20 кВ в России выполнены кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией По различным данным моральный и физический износ КЛ 6-10 кВ в системах электроснабжения составляет 40-90 %

Если анализировать статистику отказов КЛ различных напряжений и степень их влияния на возникающие убытки, то наибольшие убытки возникают при отказах КЛ 6-10 кВ, на которые приходится около 70 % всех нарушений электроснабжения потребителей. Поэтому особое внимание к высоковольтным кабелям среднего напряжения объясняется тем, что они составляют абсолютное большинство силовых кабелей промышленных предприятий и городов - это ключевое звено отечественной и мировой энергетики

На первый взгляд решение этой проблемы заключается в замене кабелей, выработавших свой ресурс, новыми и современными кабелями, например из сшитого (вулканизированного) полиэтилена (СПЭ), нормативный срок службы которых составляет 50 лет Замена всех кабелей в течение фиксированного времени (несколько лет) потребует больших затрат, превышающих стоимость первоначальной прокладки Поэтому речь идет о продлении времени эксплуатации проложенных кабелей В этом случае возникает вопрос о надежности существующих КЛ, их остаточном ресурсе для дальнейшей работы

Существующая система контроля изоляции повышенным напряжением выпрямленного тока малоэффективна Актуально решение проблем, связанных с переходом на систему неразрушающей диагностики Система даст возможность классифицировать КЛ по их остаточному ресурсу, снизит аварийность Диагностика позволит реально увеличить срок службы КЛ сверх нормативного срока и с большой экономией обеспечить их техническое обслуживание и ремонт Выявление наиболее ответственных кабелей, установление очередности диагностики, кратко- и долгосрочное планирование (проектирование) замены КЛ делает, с одной стороны, актуальной разработку стратегии, опирающуюся на техноценологические представления и обеспечивающую постепенную в течение 10-20 лет замену КЛ новыми кабелями, с другой, организацию эффективной эксплуатации (менеджмента) всего множества (сообщества) существующих и прокладываемых кабелей выделенного объекта (крупное предприятие в целом, город, округ в целом)

Изложенное обусловило актуальность решения научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, которое заключается в повышении надежности кабельных сетей 6-10 кВ промышленных предприятий и городов путем создания эффективной системы профилактики КЛ на основе новых не-разрушающих методов диагностики

Цель работы — научное обоснование технических, технологических и техноценологических решений по повышению эффективности функционирования кабельных линий 6-10 кВ крупных промышленных предприятий и городов за счет комбинированных средств контроля их изоляции и улучшения менеджмента кабельных сетей

Задачи исследований:

- определить современный уровень эксплуатации кабельных линий, оценить эффективность системы их профилактического обслуживания, опираясь на полученные статистические и обработанные экспертные данные,

- классифицировать кабельные дефекты, причины отказа КЛ, методы контроля изоляции и современные модели профилактики КЛ,

- с технико-экономической точки зрения сформулировать требования к методам профилактических испытаний и на их основе оценить эффективность существующих и вновь предлагаемых методов диагностики КЛ,

- разработать метод неразрушающей диагностики изоляции КЛ, отвечающий современным рыночным требованиям экономии ресурсов и требованиям надежного электроснабжения,

- разработать оптимальную модель профилактики КЛ, использующую наиболее эффективный метод диагностики и включающую алгоритм стратегии замены кабелей, отработавших остаточный ресурс, на новые кабели,

- создать математическую модель расчета электромагнитного поля в трехмерном пространстве в разделке кабеля для обоснования выбора выравнивающего конуса (ВК) с целью уменьшения максимальной напряженности электрического поля в концевой муфте и разработать методику расчета ее оптимальных размеров,

- с учетом замены отработавших остаточный ресурс кабелей на новые,

провести ранговый ценологический анализ, охватывающий существующие и прокладываемые кабели, для выделения ответственных, установления очередности замены и отказа от обслуживания определенных групп на длительный период времени,

- разработать и внедрить методику повышения устойчивости техноценоза - «Кабельная сеть» крупного промышленного предприятия и «Кабельная сеть» города (округа) в целом

Методы исследований. В работе решение поставленных задач осуществлено на основе теоретического, эмпирического и экспериментального методов исследований

Теоретический метод включает научное обобщение и анализ теоретических исследований по изучению методов выравнивания электрического поля в кабельной муфте, методы диагностики изоляции КЛ, модели профилактики, методы построения оптимального техноценоза

Эмпирический метод включает выдвижение статистической гипотезы, выбор и описание объектов исследования, обработку результатов классическими методами теории вероятностей и математической статистики, модели видового и рангового ценологического анализа, имитационное моделирование, теорию оптимального планирования

Экспериментальный метод включает численное моделирование распределения электромагнитного поля в трехмерном пространстве кабельных концевых муфт с помощью конечно-элементных методов расчета напряженности электрического поля для определения размеров и формы образующей выравнивающего конуса, имитационное моделирование предлагаемого метода диагностики изоляции КЛ, проведение натурных испытаний по результатам исследований

Объект исследований - системы электроснабжения крупных промышленных предприятий и городов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующих положениях

- проведено комплексное исследование эффективности существующего профилактического контроля изоляции КЛ в системах электроснабжения промышленных предприятий и городов, охватывающее все множество проложенных высоковольтных кабелей объекта,

- впервые разработаны классификации кабельных дефектов, внешних воздействий на КЛ и методов контроля изоляции КЛ,

- впервые проведено компьютерное моделирование электрического поля в раздеже трехжильного кабеля в трехмерном пространстве при переменном напряжении с учетом влияния полей жил друг на друга,

- предложена геометрия конструкции выравнивающего конуса, отличающаяся от разработанной на кафедре ТОЭ и электрофизики МЭИ (ТУ) совместно с лабораторией кабельной арматуры ОАО «НИИпроектэлектромонтаж»тем, что в качестве образующей выравнивающий конус, имеет показательную функцию Это позволяет в большей степени уменьшить максимальную напряженность в концевой муфте

- разработана методика расчета оптимальных размеров ВК на основе моделирования электромагнитного поля в трехмерном пространстве,

- впервые сформулированы требования к методам профилактического контроля изоляции КЛ,

- разработан новый неразрушающий метод высокочастотной рефлекто-метрии для диагностики изоляции КЛ 6-10 кВ, наиболее полно отвечающий поставленным в работе требованиям,

- разработана оптимальная модель профилактики кабельных линий на основе метода высокочастотной рефлектометрии с информационно-программной реализацией,

- разработана методика определения периодичности испытаний КЛ, работающих в увлажненной среде с прерывистым циклом работы,

- разработана методика повышения устойчивости техноценозов - «Кабельная сеть» промышленного предприятия и «Кабельная сеть» города, имеющих свою специфику

Достоверность подученных результатов определяется корректностью постановки задачи, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам, хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными исследований и испытаний лабораторных и промышленных образцов

Практическая ценность работы. На основе анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан неразрушающий метод диагностики изоляции кабельных линий - метод высокочастотной рефлектометрии. который обеспечивает разработку оптимальной модели профилактики КЛ На основе компьютерного моделирования электрического поля в трехмерном пространстве в разделке кабеля разработана методика расчета размеров выравнивающего конуса для концевой кабельной муфты Построены оптимальные техноценозы - «Кабельная сеть» промышленного предприятия (города), что дает возможность разработки стратегии замены существующих кабельных линий Результаты аналитических и экспериментальных исследований внедрены на промышленных предприятиях, а также включены в лекционные курсы, учебники и методические указания для выполнения лабора-торно-практических занятий, курсовых работ

На защиту выносятся следующие основные положения;

1) разработка нового метода неразрушающей диагностики КЛ - метода высокочастотной рефлектометрии,

2) разработка модели профилактики КЛ с применением диагностики методом высокочастотной рефлектометрии и прогнозирования их состояния изоляции, включающая алгоритм постепенной замены кабельных линий, выработавших свой ресурс, новыми кабелями, с учетом способа их прокладки, определяемого совокупностью воздействий разрушающих факторов, а также позволяет улучшить менеджмент кабельной сети,

3) разработка методики определения оптимальных размеров выравнивающего конуса на основе моделирования электромагнитного поля в трехмер-

ном пространстве для кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией с целью повышения надежности концевых муфт,

4) необходимость и эффективность применения техноценологического подхода при исследовании KJI 6-10 кВ систем электроснабжения городов и промышленных предприятий с целью создания устойчивых ценозов и получения долгосрочного прогноза отказов KJI в работе,

5) повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий и городов за счет новых технических решений и менеджмента, повышающего эффективность работы электротехнических служб.

Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического и электротехнического оборудования (г Москва,

1980 г), на юбилейной научной конференции Московского энергетического института (г Москва, 1980 г), на заседании энергетического факультета университета технического прогресса ПО «Салаватнефтеоргсинтез» (г. Салават,

1981 г), на научно-технических семинарах кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) (1980, 1981, 2005-2007 г.г), на расширенных научно-технических семинарах кафедры Электротехники и электрооборудования Кемеровского технологического института пищевой промышленности (1981-2007 г г), на международной научно-технической конференции «Электрификация металлургических предприятий Сибири» (г Новокузнецк, 2004 г), на семинаре энергетиков металлургической промышленности (г. Москва, 2005 г), на Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г Новочеркасск, 2006 г), на XI Международной конференции "Ценоз как объект новой научной картины мира" (г Москва, 2006 г), на седьмой Международной научно-практической конференции «Моделирование Теория, методы и средства» (г Новочеркасск, 2007 г), на общероссийской научно-практической конференции МЭИ (ТУ) «Электрификация история, настоящее, будущее», посвященная 100-летию со дня рождения основателя кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» - проф A.A. Федорова (г Москва, 2007 г)

Публикации. Результаты исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 50 опубликованных работах, в том числе в трех монографиях и имеют приоритет, подтвержденный двумя патентами

Объем и структура работы. Диссертационная работа выполнена на 350 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, 3-х приложений, содержит 146 рисунков, 23 таблицы, 389 наименований литературных источников

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат сбор, обработка и анализ статистических данных по определению разрушающих факторов, влияющих на отказы КЛ, на промышленных предприятиях [7,10,14,15,18,46], постановка, моделирование и решение задачи диагностики изоляции асинхронных двигателей неразрушаюшим методом контроля [17,20,21,22,23], анализ литературных источников, математическое опи-

сание, экспериментальное исследование по разработке метода высокочастотной рефлектометрии для диагностики изоляции КЛ [1,5,26,27,33,37], постановка задачи и создание алгоритма оптимальной модели профилактики КЛ на основе неразрушающих методов контроля изоляции КЛ [4,12,24,31], постановка задачи, компьютерное моделирование и разработка методики определения оптимальных размеров выравнивающего конуса для концевых муфт [8,30,32,34,35,36,38,41,44,49], ранговый анализ статистических данных по КЛ, разработка методики повышения устойчивости техноценоза «Кабельная сеть» промышленного предприятия, города [7,45], заземление и электрокоррозия [16,19], математическое описание модели [24]

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость Работы Показана необходимость внедрения неразрушающих методов диагностики КЛ с целью повышения их эксплуатационной надежности и разработки алгоритма постепенной замены кабелей, отработавших остаточный ресурс, новыми кабелями Сформулированы цель и задачи исследований, показаны основные пути их решения

В первой главе приводятся исследования статистических данных о повреждаемости КЛ в сетях промышленных предприятиях и городов, а также рассматриваются вопросы организации эксплуатации КЛ

Отмечается, что отказы КЛ в эксплуатации на предприятиях химической, нефтехимической и металлургической отраслей промышленности связаны с большими убытками из-за нарушений непрерывности энергоемких технологических процессов

Анализ статистики на одном из крупных нефтехимических предприятий показал, что из-за отказов КЛ происходит наибольшее количество аварий (36,7 %) по отношению ко всем аварийным отключениям, вызванным отказами электрооборудования системы электроснабжения предприятия, по вине энергосистемы и обслуживающего персонала. По данным литературных источников это число достигает до 70 %

Исследование распределения отказов КЛ по часам показало, что в течение суток заметно повышается количество отказов в дневное время Это связано с увеличением нагрузки КЛ и выполнением оперативных переключений в сети Показано, что профилактические испытания (ПИ) КЛ целесообразно проводить в часы суток, когда число отказов их незначительно и соответственно невысока вероятность отказа резервной КЛ при ПИ рабочей

Существенным фактором, приводящим к отказам КЛ на исследуемых предприятиях, является коррозионное разрушение металлических оболочек Наиболее подвержены этому разрушению кабели с алюминиевой оболочкой, повреждаемость которых в 20-30 раз выше повреждаемости кабелей со свинцовой оболочкой По данным статистики, часто отказывают КЛ, проложенные в земляной траншее, где прис>тствуют в большой концентрации агрессивные вещества, выделяемые различными производствами Поэтому целесообразно

КЛ, наиболее подверженные химической коррозии, извлекать из траншей и прокладывать по эстакадам, туннелям.

Выявлена степень вредных воздействий агрессивной среды различных видов технологических производств па количество отказов КЛ. Так, наибольшее разрушающее воздействие на КЛ (ОАО «Азот», г. Кемерово) оказывают производства азотной и серной кислот (45,5 % отказов), аммиака и кацролакта-ма (38,4 % отказов). Отказы КЛ других видов производств составляют лишь 16,1 %. Это обстоятельство необходимо учитывать при назначении сроков проведения ПИ. Например, для КЛ, передающих электрическую энергию к железнодорожному и ремонтно-механическому цехам, цеху ионообменных смол, складам, фабрике-кухне, компрессорному цеху и некоторым другим потребителям. меж профилактические сроки могут быть увеличены до 5-6 лет. Это позволит без дополнительных трудозатрат сократить межиспытательные сроки для КЛ, подверженных значительному воздействию агрессивных сред, и этим предотвратить их отказы в эксплуатационных условиях.

Подобная статистика отказов КЛ выявлена в ОАО «ЗСМК» и представлена на рис. I. Показано, что сооротквлзкие изоляции и ток утечки в равной степени отражают состояние изоляции IUI. поэтому контроль состояния изоляций можно осуществлять по сопротивлению изоляции, не прибегая к ПИ повышенным напряжением для получения значений гока утечки.

Рис. 1. Диаграмма Я-расп ределения аварийности кабельных линий но годам эксплуатации и по видам производств в ОАО «ЗападноСибирский металлургический комбинат»

Исследования отказов КЛ 6-10 кВ в Кемеровской городской сети показали, что при Г1И в целом месте кабеля выявляется лишь 21,76 % дефектов изоляции, а 78,24 % дефектов пробиваются при рабочем напряжении.. Коэффициент эффективности профилактики составил 21,76 %, что указывает на малую эффективность испытаний повышенным напряжением.

Отмечается, что при анализе аварийной статистики выявлено - отказы кабелей из-за механических повреждений составляют и городской сети до 40 %,

а на исследуемых промышленных предприятиях, в среднем, до 20 % по отношению ко всем отказам КЛ в условиях эксплуатации. Поэтому для снижения отказов КЛ по механическим причинам следует использовать передовые методы защиты КЛ от механических повреждений.

Так как одной из причин повреждения кабелей является коррозия, то для КЛ, наиболее подверженных этому процессу, следует шире применять меры по антикоррозионной защите, а также устанавливать наблюдение за состоянием противокоррозионных покрытий кабелей с алюминиевой оболочкой при прокладке и обслуживании.

Поскольку на отказы концевых и соединительных муфт приходится 40 % и более по отношению ко всем отказам КЛ, то для снижения повреждаемости концевых и соединительных муфт необходимо улучшить их конструкции и повысить качество монтажа, а также использовать максимальную строительную длину новых современных кабелей с целью минимизации количества соединительных муфт.

Двухбалльная опенка состояния изоляции КЛ по результатам ПИ повышенным напряжением является довольно грубой, поэтому представляется целесообразным внедрение неразрушающих методов диагностики КЛ.

Сравнение отказов КЛ но годам наблюдения показывает (рис. 2): а) количество повреждений КЛ, наблюдаемых в последние годы, возрастает из-за старения изоляции кабелей;

Рис. 2. Диаграмма распределения параметра потока отказов КЛ по предприятиям

б) увеличение межиспытательных сроков для промышленных предприятий с одного года до трех лет в соответствии с «Объем и нормы испытаний электрооборудования» (2004 г.) привело к увеличению отказов КЛ:

в) высокая повреждаемость настоятельно 1-ребует замены кабелей, выработавших нормативный срок, на новые кабели.

С целью более полного учета и анализа повреждаемости КЛ необходима разработка передовых методов и форм сбора и обработки статистической информации об их эксплуатации с использованием современного программно-математического обеспечения

Во второй главе диссертации приводятся исследование дефектов кабельной изоляции, причин появления дефектов, рассмотрены виды пробоя изоляции, а также приведен анализ существующих методов контроля изоляции КЛ

Отмечается, что высокие градиенты напряжения в слабых местах изоляции имеют тенденцию прогрессивно разрушать ее до тех пор, пока не наступит пробой изоляции КЛ Ослабление кабельной изоляции до пробоя может быть медленным процессом и всякое усилие по предупреждению пробоев в эксплуатации путем периодического контроля состояния изоляции считается желательным, если оно экономически себя оправдывает Когда профилактический контроль производится таким образом, что значительная часть дефектов КЛ заблаговременно выявляется, происходит соответствующее уменьшение случаев повреждения ее в эксплуатации, а это способствует повышению надежности электроснабжения потребителей. Поэтому, для предотвращения пробоев изоляции КЛ в условиях эксплуатации, необходимо контролировать ее состояние, определять характер и степень опасности происходящих изменений При своевременном обнаружении ухудшения изоляции можно принять необходимые меры для восстановления ее эксплуатационной надежности на определенный период

Сформулированы основные требования к методам контроля изоляции

КЛ

1) безопасность проведения диагностики (испытания) для изоляции КЛ,

2) определение вида дефекта,

3) определение величины распределенного дефекта,

4) определение величины локального дефекта (дефектов),

5) возможность определения местонахождения дефекта в КЛ,

6) электробезопасность проведения диагностики (испытания),

7) низкая стоимость аппаратуры контроля изоляции КЛ,

8) наименьшее время проведения диагностики (испытания),

9) проведение диагностики (испытания) без отключения КЛ от рабочего напряжения

Приведена классификация методов контроля изоляции КЛ (рис 3) Отмечается, что из разрушающих методов контроля изоляции КЛ наиболее эффективным в настоящее время является метод испытания повышенным напряжением выпрямленного тока Разрушающие методы контроля должны применяться, в крайнем случае, когда дефект или дефекты изоляции настолько велики, что могут привести к пробою изоляции в условиях эксплуатации

Из известных неразрушающих методов контроля перспективным является контроль по интенсивности частичных разрядов, внедрение в практику которого затрудняется ввиду большой стоимости приборов для его реализации и проведение монтажных работ

Методы контроля изоляции кабельных линий

Разрушающие методы контроля

Испытание повышенным напря-{ жением промышленной частоты

Испытание повышенным напряжением выпрямленного тока!

]

I

1~|

Испытание по однополярной схеме

Испытание по двухполярной схеме

У У

Испытание постоянно-переменным напряжением

Испытание импульсным напряжением

Испытание без отключение кабельных линий от сети

Метод искусственно созданных перенапряжений

Испытание пульсирующим напряжением

Метод замыкания фазы на землю

У У У

I-1

]

Неразрушающие методы контроля

Измерение сопротивления изоляции Шо

]

Измерение диэлектрических потерь tg5

Измерение частичных разрядов

Измерение емкости кабельной линии С

Измерение Капе (Ксо/Шп)

Тепловизионпый метод

Рентгеновский метод

Метод измерения и анализа возвратного напряжения

Метод рефлектометрии

Импульсный

Высокочастотный

У У У

Рис 3 Методы контроля изоляции кабельных линий

В третьей главе приведено исследование и разработка нового метода не-разрушающего контроля КЛ В работе утверждается, что наиболее перспективным является рефлектометрический метод контроля изоляции

Рефлектометрический метод в достаточной степени отвечает поставленным в работе требованиям Метод импульсной рефлектометрии (МИР) применительно к силовым кабелям впервые был предложен в 1972 году американскими инженерами (Roemer L Е, Chen С S , Grumbach RS)

МИР разрабатывался применительно к линиям связи В последние годы его стали адаптировать и для силовых кабельных линий Он основан на теории длинных линий и предполагает посылку в линию короткого импульса Определение дефектов в изоляции осуществляется с помощью зондирующего импульса и измерения его параметров при отражении Напряжение, отраженное от дефекта, представляется искаженным эхом В этом методе импульс проверочного сигнала распространяется вдоль линии и отражает энергию, если встречается изменение в волновом сопротивлении изоляции кабеля

Для выявления характера и величины дефекта американские исследователе* предлагают далее вычислять кепстр мощности отраженного сигнала Зхо задержки, со временем г иллюстрирует всплеск в спектральной области частоты, дающим информацию о дефекте

Набор приборов, используемых в МИР, приведен на рис 4 При МИР используется TDR (измеритель отражений) техника, которая в американской практике применяется в системе телефонной связи TDR - малогабаритный прибор и выдает сигналы ниже уровня напряжения, который может рассматриваться как разрушающий для кабеля. В эксплуатационных условиях на KJI наводятся высокоуровневые шумы промышленной частоты и ее гармоники.

Хотя металлическая оболочка кабеля минимизирует окружающие шумы, но из-за их высокого уровня на экране осциллографа возникают значительные помехи, мешающие восприятию информации о дефектах изоляции Кроме того, получаемый сигнал состоит из основной посылки и многократных отражений, которые также затрудняют анализ полученного изображения на экране осциллографа Увеличение частоты посылаемого сигнала приводит к значительному его затуханию за счет потерь Чтобы устранить влияние этих отрицательных факторов, авторы предлагаемого метода применили кепстральный метод обработки полученных изображений На рис 5 приведен результат обработки полученного сигнала в виде кепстра мощности

ИСПЫТУЕМЫЙ КАБЕЛЬ

Рис 4 Базовый набор приборов, используемый при методе импульсной рефлектометрии

я

Как видно из рис 5, кепстр мощности не дает четкого представления о дефекте и требует дополнительного анализа по выявлению степени его развития и вида К сожалению, на рисунке присутствуют отражения не только от дефекта, но и от конца кабеля, что существенно осложняет диагностику КЛ

В России внедрением в практику метода импульсной рефлектометрии применительно к силовым кабельным линиям вплотную занимаются фирмы СТЕЛЛ (г Брянск), ДИАКС (Минатомэнерго), а также Кадомская К П и Сахно В В (НГТУ)

Одной из последних разработок фирмы СТЕЛЛ является цифровой рефлектометр РЕЙС-105Р, который может использоваться как для определения повреждений линий связи, так и силовых КЛ Разработки фирмы ДИАКС и НГТУ находятся в стадии исследования

Анализ рефлектограмм, полученных с помощью МИР, показывает некоторые сложности в распознавании и определении величины дефекта ввиду наложения отражения от конца линии Следовательно, необходима математическая обработка по устранению отражений от конца линии или требуется технический прием по решению этого вопроса Таким образом. МИР требует дальнейшей доработки и исследования по распознаванию величины и вида дефекта Кроме того, метод предъявляет высокие требования к используемой аппаратуре по стабильности частоты и фронта посылаемых в линию импульсов, которые ведут к ее удорожанию

Отмечается, что указанные недостатки метода МИР привели к дальнейшим исследованиям Рассматривая теоретические аспекты посылки в линию не импульса, а высокочастотного сигнала синусоидальной формы, были получены обнадеживающие результаты Поэтому метод получил название - метод высокочастотной рефлектометрии (МБР)

С целью выявления эффективности метода были проведены эксперименты по обнаружению локальных дефектов на высокочастотном коаксиальном кабеле длиной 250 м Схема экспериментальной установки приведена на рис. 6 От высокочастотного генератора сигналов Г4-158 в закороченный на конце кабель подавались синусоидальные колебания частотой от 400 кГц до 1,5 МГц с интервалом в 100 кГц При этом проводились измерения фазы между током и

Измеритель разности фаз

Кабель

>

Рис 6 Схема экспериментальной установки

напряжением на резисторе Ян с помощью измерителя разности фаз Ф2-16, а также измерялись напряжения на зажимах генератора и на входе кабеля с помощью цифрового милливольтметра ВЗ-541 Измерения проводились на исправном кабеле и на кабеле с дефектом По результатам измерений на компьютере вычислялось входное сопротивление кабеля Дефекты изоляции представлялись в виде сквозного механического прокола, различной проводимости и емкости

Для упрощения расчетов длинная линия была представлена в виде четырехполюсника Для простоты рассмотрения дефект изоляции моделировался в виде емкости Со, включенной на некотором расстоянии х. от начала линии (рис 7)

Для одноэлементного четырехполюсника с параллельно включенной емкостью матрица на некоторой частоте со

Ън

Рис. 7 Схема длинной линии с дефектом Сп

к]=

0)

1 о"

_;соСп 1

Пусть линия имеет два дефекта (рис 8) Тогда линию можно рассматривать как каскадное соединение пяти четырехполюсников

Параметры такой системы определяются как произведение отдельных матриц

[А] = № Ш* [Л3МЛ]у Ш, (2)

скщ

^ 1

где

№

скух1

№

1 о

; *2

< Х1 3

Ui У Ci

Т L Ц-=-i

Q*.

Рис 8 Схема длинной линии с двумя дефектами С\ и С2

chy(x2 - хг) Zeshy(x2 - х,) shy{x2 ~ ) chy(x2 - х,)

1

М-

jwC2 1

сЬу{хг - x2) Zeshy(x3 - x2) I

shy(xз - x2 ) chy(x2 - x2 )

А - параметры позволяют найти входное сопротивление для нагруженной линии

7 - ^П^н

A2{Z„ + А

22

(3)

где Ап,Аг2, Ai2, A2¡ - элементы матрицы линии с дефектами, ZH - сопротивление нагрузки

Задача заключается в том, чтобы, зная входное сопротивление, найти характер и местоположение дефектов Поставленная задача несколько облегчается, если анализировать не входной сопротивление, а коэффициент отражения линии на входе

Unmn Z.-Z„

(4)

Г =

__ w отр

и,

под

где Ze - волновое сопротивление линии

Точность измерений и качество анализа существенно повысятся, если линию нагрузить на волновое сопротивление При этом отражения от конца линии не будет и в линии наступит режим бегущих волн Измерительный прибор будет измерять только волны, отраженные от нерегулярностей в линии Тогда (3)примет вид

Аигв+Аг_

7 =.

A2XZe+A22

Аналитическое выражение для коэффициента отражения очень сложно В числитель и знаменатель выражения (4) входят произведения пяти комплексных матриц и анализ этого выражения, на первый взгляд, кажется безнадежным. Поэтому, найдем вначале коэффициент отражения на входе линии, исходя из физических соображений, а не путем перемножения матриц

Коэффициент отражения кабельной линии с двумя дефектами, если пренебречь влиянием дефектов друг на друга, можно представить как сумму коэффициентов отражения от каждого дефекта, т е

г1 = г1+г12, (6)

где - коэффициент отражения от дефекта емкостью С], Г\ - коэффициент отражения от дефекта емкостью Сг

С учетом (4) коэффициент отражения с волновой проводимостью Св, согласованной на конце

Г! = 0«-С)аСх+в,) = }С0Сх 1 св +0®с, +Ов) 2 Ов+]фС1 (7)

Преобразуя (7), получим

У --

где В\ = СхЮц

В виду малости значений (со.В{?12, вторым слагаемым в числителе и знаменателе можно пренебречь, тогда (8) примет вид

где у= (а +}р) - коэффициент распространения линии, а,р соответственно коэффициенты затухания и фазы, хх - расстояние от начала линии до первого дефекта

Аналогично получим выражение для Г\

г1 - ]а)Вг г'2™-

I 2 — е 9

2 - (Ю)

где В2 = С2/Ов, х2 - расстояние от начала линии до второго дефекта

Если дефекты не очень велики, то общий коэффициент отражения на входе линии найдем как алгебраическую сумму коэффициентов отражений от обоих дефектов

Поскольку

. со =2л/Т=2Л»/ТУ - 2т/Х = (12)

где V - фазовая скорость распространения волны в линии, то выражение (11) примет вид

(!3)

Выделяя действительную часть выражения (13), получим

Ыгу, = ,т(2рХ1) + 5т(2Д-с2) (14)

В общем случае, для п - го количества дефектов (14) будет представлено следующим образом

Ие(Гл) = К} 51X1(2^) + К2 5т{2/}х2) + . +К„ 5т(2/3хп),

где

Х2,

(15) рас-

2 л 2

стояние от начала линии до дефекта

Расчеты, проведенные на компьютере, по сложной формуле (4) и полученной из физических соображений (14), позволили получить зависимости, приведенные на рис 9 Как видно из графиков, физическая модель дает хорошую сходимость с теоретической моделью

Анализ формулы (14) показывает, что она является суммой двух пространственных гармоник с амплитудами, зависящими от величин емкостей дефектов Если реализовать Фурье преобразование выражения (14), перейдя от переменной р к переменной х, то можно найти коэффициенты при пространственных гармониках, которые зависят от значений емкостей дефектов Дискретное Фурье преобразование (14) было выполнено по следующей формуле

N

(16)

где Ы- число разбиений линии

Все расчеты проводились в нормированных величинах За единицу частоты принималась такая частота генератора/ при которой длина линии Ь равна длине волны 2, тогда

7 х т V

(17)

0 08

Рис 9 Кривые изменения коэффициента отражения, рассчитанного по формулам (4) и (14)

где Ьот - длина кабеля от начала до дефекта в относительных единицах Тогда рх - 2я(Ьш = аЬот Частота/изменялась от 0 до 2 с шагом 0,02

На рис 10 представлен график спектральной плотности пространственных гармоник, полученных в результате Фурье преобразования По оси абсцисс отложено расстояние от начала кабельной линии до нерегулярности, а по оси ординат спектральная плотность пространственных гармоник Как видно из рисунка, амплитуды спектра соответствуют местоположению и величинам дефектов изоляции КЛ 08

от

06

05

04

03

02

01

°0 02 04 06 08 1 1 2 14

Рис 10 График спектра плотности 1 - амплитуда, соответствующая дефекту емкостью С], 2 — амплитуда, соответствующая дефекту емкостью С2

Таким образом, предлагаемый метод диагностики теоретически позволяет определять по измеренному 2вх все локальные дефекты изоляции кабельной линии, характеризуемые емкостью Для примера, на рис 11, показан спектр плотности, когда кабель содержит три дефекта

Отмечается, что было проведено моделирование дефекта для кабеля с реальными данными

1)длина кабеля Ь = 250 м,

2) первичные параметры - Яо = 0,209 Ом/м, Ьд = 3,759x10"7 Гн/м, Со =

0,665x10"10 Ф,

3) волновое сопротивление 7.в = 75 Ом

Расчеты проводились в абсолютных величинах Как видно из рис 12, по графику можно определить расстояние в м от начала кабеля до дефекта, а также величину емкости дефекта в Ф

Поскольку в изоляции кабельной линии могут возникать и распределенные дефекты (увлажнение, старение изоляции), разработанный метод был применен и для определения этого типа дефектов Расчет проводился по формуле (14) На рис 12 приведен спектр плотности для кабеля, длиной 250 м, который увлажнен от начала линии на расстояние 76 м По амплитуде спектра плотности

Вв-^о"1

-1 -2

Ьот

Рис 11 График спектра плотности.

1 - амплитуда, соответствующая дефекту емкостью = 20 пФ, 2,3 - амплитуды, соответствующие дефектам емкостью Сг = С3 = 30 пФ

А, которая пропорциональна величине распределенных дефектов, это хорошо видно Следовательно, предлагаемый метод позволяет выявлять как распределенные, так и локальные дефекты изоляции

Все эксперименты и процесс моделирования осуществлялись применительно как коаксиальным высокочастотным кабелям, так и к силовым кабелям

Рис 12 График спектра плотности

Линия с одним дефектом емкостью С = 17 пФ

с

50

100

150 " 200

Рис. 13, К определению распределенных дефектов

Использование разработанного МБР для Кабелей трехфазного исполнения не вызывай* практических трудностей. Отмечается, что К.П. Кадомской и В.В. Сахно предлагаются модели по определению волновых сопротивлений трехфазных кабелей, при этом три жилы объединяются и зондирующая аппаратура включается между объединенными жилами и оболочкой О.

Например, для соединительных муфт с битумной и эпоксидной изоляцией волновое сопротивление составляет соответственно 20 Ом и 36 Ом. Волновое сопротивление кабеля типа АСБл(ож) 3x185 на 10 кВ равно 7 Ом.

Рис. 14. Базовый набор приборов для диагностики изоляции КЛ МБР. [ - испытуемый кабель; 2 — высокочастотным генератор; 3 компьютер; 4 — резистор сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля; 5 - принтер; 6 - измеритель разности фаз

Доказано, что методика диагностики трехфазных кабелей при подключении зондирующего генератора по схеме «гри объединенные жилы - оболочка» сводится к методике диагностики KJ1 с одножильными кабелями при со ответ-

j

ствующем определении волновых сопротивлений трехфазных KJI Для проверки жильной изоляции диагностику можно вести подключая генератор между жилами кабеля На рис 14 показан базовый набор приборов, позволяющий реализовать МВР для диагностики изоляции трехфазных KJI

В четвертой главе критически рассмотрены существующие модели профилактики КЛ Обосновывается выбор стратегии управления надежностью изделия по техническому состоянию (прогнозирующему параметру) Такая стратегия позволяет наиболее полно использовать технический ресурс изделия и обеспечить его надежную работу при минимальных затратах

Разработан алгоритм оптимальной модели профилактики KJI на основе стратегии управления надежностью изделия по техническому состоянию Для определения технического состояния КЛ используются метод высокочастотной рефлектометрии, в котором прогнозирующими параметрами являются сопротивление изоляции (для определения распределенного дефекта) и емкость дефектной части изоляции (для определения локальных дефектов) и тепловизи-онный метод (прогнозирующий параметр - температура концевой муфты). Учитывая экономическую составляющую алгоритма, в модель профилактики включен алгоритм прогнозирования, основанный на методе максимального правдоподобия В состав модели входят также алгоритмы постепенной замены кабелей, отработавших остаточный ресурс, новыми кабелями и смены способа прокладки КЛ

Алгоритм реализован в стандартном приложении ОС Windows MS Access, с использованием Math Lab и Math Cad для отдельных программ

Достоинством алгоритма модели профилактики является возможность автоматически получать сроки проведения испытаний повышенным напряжением и измерение характеристик изоляции В предлагаемой модели профилактики к испытаниям повышенным напряжением прибегают, в крайнем случае, когда методами неразрушающего контроля установлено неудовлетворительное состояние изоляции или, когда КЛ была подвергнута каким-либо ремонтным работам Кроме того, в модели проводится дифференцированный подход к каждой КЛ, обеспеченный не только индивидуальным прогнозом состояния изоляции, но и заданием категории и критического срока службы кабеля

Алгоритм позволяет посредством смены категории и периодичности измерений МВР подбирать индивидуальную тактику диагностики изоляции КЛ, с учетом экономических показателей

Применительно к КЛ, работающим в увлажненной среде с прерывистым циклом работы (угольная промышленность), разработана математическая модель профилактики, в которой прогнозирующим параметром является сопротивление изоляции С помощью разработанной модели можно установить и сформулировать требование к сопротивлению изоляции КЛ перед включением в работу, а также определить периодичность проведения профилактических испытаний

В пятой главе проведены исследования повреждаемости кабельных концевых муфт Отмечается, что значительная часть пробоев концевых муфт происходит во время ПИ повышенным напряжением Одной из главных причин

такого положения является большая величина коэффициента неравномерности электрического поля между оболочкой и жилой на конце кабеля, что приводит к электрическому пробою в этом месте Указывается, что неравномерность электрического поля (краевой эффект) начинает значительно влиять на электрическую прочность заделки при напряжении 5 кВ, поэтому выравнивание поля на конце кабелей 6-10 кВ является актуальной и важной задачей

Рассмотрены причины появления радиальной и тангенциальной составляющих электрического поля в муфтах силовых кабелей среднего напряжения При разделке кабеля часть его оболочки (или экрана в случае экранированного кабеля) удаляют, что приводит к искажению силовых линий в осевой геометрии кабеля, которое проявляется в трех измерениях Поэтому электрическое поле в изоляции муфт существенно отличается от радиального поля в изоляции кабеля В муфтах радиальное поле существует только на ограниченных участках В остальной зон©, кроме рздкзльной3 действуют т&нгеициё*льныв составляющие электрического поля, причины возникновения и характер воздействия которых различны

Регулирование радиальной составляющей цилиндрического поля в изоляции кабюля и муфт, как правило, не вызывает трудностей Регулирование тангенциальной составляющей электрического поля является одной из основных трудностей при конструировании муфт высокого напряжения, которая усугубляется тем, что сильно неравномерному электрическому полю сопутствует значительное снижение электрической прочности неоднородной слоистой изоляции муфт в направлении между слоями и по поверхности раздела различных изоляционных сред Это снижение электрической прочности изоляции может достигать 15 раз

Электрическое поле во внутренней изоляции обычно получается неоднородным на отдельных участках Такое поле характеризуют коэффициентом неоднородности

кк—Емак(./ЕСр (18)

где ЕмаКс ~ наибольшая напряженность электрического поля, Еср - средняя напряженность электрического поля

Выравнивание электрического поля в кабельных муфтах используется для снижения коэффициента неоднородности ки или для

уменьшения размеров тех областей, в которых напряженность особенно велика За счет регулирования поля достигается уменьшение толщины изоляции при сохранении неизменной ее электрической прочности В зависимости от конструкции и технологии изготовления изоляции применяют различные меры регулирования

Практически для кабельных муфт, эксплуатируемых на высоком напряжении, широко используются следующие способы регулирования тангенциальной составляющей электрического поля

1) скругление краев электродов,

2) принудительное регулирование потенциала на поверхности кабельной разделки с помощью конденсаторной подмотки,

3) принудительное регулирование продольной емкостной проводимости с

помощью цилиндрических конденсаторных элементов;

4) принудительное регулирование продольной омической проводимости изоляции с помощью полупроводящих покрытий;

5) градирование изоляции {дизлекгрическое регулирование);

6) принудительное регулирование емкости изоляции на землю с помощью введения заземленных экранов.

Отмечается, что расчет поля нри известной электрической прочности является этапом, без которого трудно определять все необходимые характеристики электрической изоляции. На рис. 15 приведено распределение поля потенциалов трехжильного кабеля при моделировании в трехмерном пространстве, а на рис, 16,17 распределение напряженности в поперечном сечении трехжильного кабеля. На рис. 18 приведено распределение линий напряженности электрического поля в грехжильном кабеле при воздействии переменного напряжения в момент времени 1 = ж/2.

Для устранения неравномерности электрического поля на конце кабеля предлагается использование выравнивающего конуса (ВК), изготавливаемого так, что его образующая представляет кривую, полученную расчетным путем. Это позволяет' увеличить коэффициент использования конструкции кабельной концевой муфты.

Расчеты размеров ВК проводятся на компьютере по разработанной методике, алгоритм которой приведен на рис. 19.

Рис. 15. Распределение поля потенциалов трехжильного кабеля при моделировании в трехмерном пространстве

Рис.

16. Распределение напряженности в поперечном сечении трехж ильного кабеля при моделировании в трехмерном пространстве

Рис. 17, Фрагмент рис 16. Распределение напряженности в месте среза оболочки кабеля

Проведенные экспериментальные исследования показали высокую электрическую прочность концевых кабельных муфт с использованием ВК. Внедрение муфт с ВК в практику позволит значительно повысить эксплуатационную надежность ЮТ» Кроме того, отмечается, что ВК можно с успехом использовать и при монтаже соединительных муфт.

В шестой главе обоснована необходимость использования техжщеноло-гичеекой теории, которая широко используется для анализа видового рас преде

■

Рис. ] 8. Распределение линий напряженности электрического поля в

трехж ильном кабеле при воздействии переменного напряжения в момент времени t - ж!2

ления установленных и ремонтируемых электродвигателей в ряде отраслей промышленности, генерирующих мощностей и трансформаторов, а в ранговой форме — для определения параметров электропотреблення заводов, предприятий отрасли и регионов. Для исследования кабельных сетей ценологаческий подход применен впервые.

Отмечается, что техноиен о логический подход позволяет: оценить структуру и состояние выделенного ценоза, оптимизировать ценоз с целью его устойчивого функционирования; получить долгосрочный прогноз отказов КЛ в работе с целью рационального планирования ремонтна-восстановительных работ.

Выполнен ранговый анализ статистических данных АК «Азот» (г. Новомосковск), ОАО «Горэлектросеть» (г. Кемерово), ОАО «ЗСМК» (г. Новокузнецк) с целью построения устойчивых техноценозов - «Кабельная сеть» промышленного предприятия, города. Учитывая обьем статистики, собранный за разные годы по предприятиям, приведен сравнительный анализ техноценозов.

На рис. 20 приведен фрагмент видового распределения, позволяющего определить структуру действующего техноценоза КЛ ОАО «ЗСМК» и определить задачи по его оптимизации.

Ранговьтй анализ техноценоза «Кабельная сеть» ОАО «ЗСМК» показал, что для достижения устойчивости этого ценоза необходимо одновременно уве-

Ввод геометрических I»а?меров кабеля

Задание дни на шпон геометрических размерен ВК

8

Расщиреннеинаиазоноп геометрических размерим ВК

3 Создан не геометрических компьютерных моделей для расчета напряжен ноет ей » кабельной муфте на основе ДКОП второго порядка

*

А —г Расчет максимальной напряженности н кабельной муфте для каждого варианта

5 Определение коэффициентов уравнения прогресс»

4

со Отсев незначимых коэффициентов уравнения

I

1

]

Определение геометрических размеров ВК, при которых напряженность минимальна»

10

Перевод относительных размеров В К в абсолютные

Вывод геометрических размеров ВК

Рис, 19. Алгоритм методики расчета размеров ВК

Рис. 20. Фрагмент видового распределения техноценсш ! - табличные значения

Рис. 21, Поверхность рангового распределения отказов КЛ с учетом прогноза для ОАО «ЗСМК»

личить численность носвой (увеличение разнообразия) и саранчевой каст (увеличение унификации}, что позволит соответственно повысить энергосбережение и экономичность эксплуатации КЛ. Достижение устойчивости ценоза рационально проводить путем замены дефектных кабелей (отработавших остаточный ресурс ) па новые кабели.

Указывается, что техноце но логический подход позволяет получать долгосрочные годовые прогнозы по отказам КЛ с погрешностью 2-4,2 %. На рис. 21 приведена поверхность рангового распределения отказов КЛ с учетом прогноза для ОАО «ЗСМК».

В приложениях приведены

- результаты обработки изменения сопротивления изоляции и тока утечки по диапазонам длин кабельных линий 6-10 кВ в ОАО «Кокс» (г Кемерово),

- сводные таблицы и рисунки по обработке статистических данных о КЛ,

- результаты моделирования и экспериментов МВР,

- акты внедрения результатов диссертационной работы

ВЫВОДЫ

1 Анализ статистических данных рассматриваемых предприятий показал низкую эффективность существующего контроля изоляции, не превышающую 40 % На предприятиях выработали свой нормативный срок более 50 % кабелей, что приводит к росту отказов в их работе Доказано, что для повышения надежности КЛ требуется замена кабелей, отработавших остаточный ресурс, на новые кабели, как правило, с большей строительной длиной

2 Разработаны классификации дефектов кабелей с бумажно-пропитанной изоляций и воздействий на них, приводящих к возникновению дефектов

3 Анализ показал, что из разрушающих методов контроля изоляции КЛ наиболее эффективным в настоящее время является метод испытания повышенным напряжением выпрямленного тока Разрушающие методы контроля должны применяться, в крайнем случае, когда дефект или дефекты изоляции настолько велики, что могут привести к пробою изоляции в условиях эксплуатации Из известных неразрушающих методов перспективным является контроль изоляции по интенсивности частичных разрядов, внедрение которого в настоящее время сдерживает высокая стоимость его аппаратуры

4 На основе теоретических исследований и модельных экспериментов разработан новый метод высокочастотной рефлектометрии для неразрушающе-го контроля изоляции кабельных линий, который может быть использован не только в условиях эксплуатации, но и на заводе-изготовителе Метод позволяет определять локальные и распределенные дефекты кабельной изоляции, схема замещения которых представляется емкостью и проводимостью, и, обладая большей помехоустойчивостью, менее критичен в аппаратурной реализации, чем метод импульсной рефлектометрии Точность метода контроля определяется шагом дискретизации по частоте зондирующего сигнала и выбранной длиной волны.

5 Разработан алгоритм оптимальной модели профилактики КЛ, основанный на стратегии управления надежностью КЛ по ее техническому состоянию, контролируемого методом тепловизионного контроля и МВР Алгоритм модели позволяет автоматически, по результатам предыдущих измерений, устанавливать сроки проведения профилактических мероприятий, обладает возможностями прогноза и коррекции с целью уменьшения затрат на проведение профилактики. Модель включает также алгоритм постепенной замены кабелей, отработавших остаточный ресурс, на новые кабели

6 Анализ конструкций кабельных муфт позволил выявить их определенные недостатки неравномерность распределения электрического поля в раз-

делке, неэффективные способы уменьшения тангенциальной составляющей поля, некачественный контакт в местах соединения проводов, наличие воздушных включений внутри корпуса муфты, нарушение герметичности защитного корпуса Ввиду несовершенства конструкции концевых кабельных муфт на их отказы приходится более 40 % по отношению ко всем отказам кабельных линий.

7 Впервые было проведено моделирование муфты трехфазного кабеля в трехмерном пространстве, которое выявило значительную неравномерность распределения напряженности в месте среза металлической оболочки (экрана). кабеля Моделирование поля в трехмерном пространстве более адекватно отражает реальное распределение этого поля, чем моделирование в двухмерном пространстве На основе трехмерного моделирования электромагнитного поля для выравнивания неравномерностей этого поля в месте среза оболочки кабеля предложено использование металлического ВК

Й Роопо^лтоио иглфлтттл/о «олтшто Р1У ГТп »мтлттглй Лттт* гтлтпта

V А. 1»1 и 1 ЧУ^жХлЧЬ*. IV А IX pUJiVlV|^ViS X \/диш IV-

ны оптимальные размеры ВК на основе методов оптимального планирования экспериментов и нелинейного программирования Проведенные эксперименты показали высокую надежность кабельных концевых муфт с использованием ВК Методика рекомендуется для внедрения на промышленных предприятиях, в городских кабельных сетях, где эксплуатируются кабели с бумажно-пропитанной изоляцией

9 Для предприятий угольной промышленности разработана модель профилактики КЛ, эксплуатируемых в увлажненной среде с прерывистым циклом работы

10 Разработана методика повышения устойчивости техноценоза «Кабельная сеть» промышленного предприятия и «Кабельная сеть» города Достижение устойчивости ценоза рационально проводить путем замены кабелей, отработавших остаточный ресурс на новые кабели. Для рассматриваемых предприятий техноценологический подход позволил получить долгосрочный годовой прогноз отказов КЛ с погрешностью 2,5-4,2 % с целью планирования объема ремонтно-восстановительных работ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Лебедев Г М Повышение надежности систем электроснабжения путем внедрения эффективных методов профилактического контроля изоляции электрооборудования / Г М Лебедев, В В Шевченко, В Г Сальников /7 Эффективные системы электроснабжения предприятий цветной металлургии - М Металлургия, 1986, с 274-295

2 Лебедев Г М Методы контроля и модели профилактик кабельных линий 6-10 кВ /Г М Лебедев - Кемерово КемТИПП. 2001 - 110 с

3 Лебедев Г М Повышение надежности кабельных линий 6-10 кВ путем улучшения профилактического обслуживания / ГМ Лебедев - Кемерово КемТИПП 2002 -248 с

4. Федоров А А О сроках профилактических испытаний кабелей 6 кВ / А А Федоров, Г М Лебедев, Г И Разгильдеев и др // Промышленная энергети-

ка-1981-№8-С 42-46

5 Лебедев ГМ Математическое моделирование локальных дефектов изоляции кабельных линий / Г.М Лебедев, Н А Бахтин, В И Брагинский // Электричество - 1998 - № 12 - С 23-27.

6 Лебедев ГМ Определение оптимальных размеров выравнивающего конуса кабельной заделки / Г М. Лебедев, Д М Мешков, Е М Мешков // Известия ТПУ - Томск, ТПУ - Т 308.- № 1 - 2005 - С 162-165

7 Кудрин Б И Ранговый анализ техноценоза "кабельная сеть 3-10 кВ ОАО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" / Б И Кудрин, Г М Лебедев, А Ю Гапоненко // Промышленная энергетика - 2007 - № 3 - С 21-28

8 Лебедев Г М Методика определения оптимальных размеров выравнивающего конуса на основе моделирования электромагнитного поля в трехмерном пространстве / Г М Лебедев, Д М Мешков // Вестник МЭИ - 2007 - № 1 -С. 87-93

9 Лебедев Г М Алгоритм модели профилактики кабельных линий 6-10 кВ на основе метода высокочастотной рефлектометрии / Г М Лебедев // Известия ВУЗов Проблемы энергетики - 2007 -№ 5-6 - С 15-19

10 Разгильдеев Г И Эксплуатационные закономерности изменения электрических характеристик кабельных линий 6 кВ / Г.И Разгильдеев, Г М Лебедев // Тр Моек энерг институт - 1980 - Вып 446 - С 20-25

11 Лебедев ГМ Повышение эксплуатационной надежности концевых заделок кабельных линий 6 кВ / Г М Лебедев, М Моек энерг ин-т, 1981 -14 с -Деп В ИНФОРМЭНЕРГО 30 03 81, № Д841

12 Чеботарев ЕВ Об оптимальной стратегии проведения профилактики кабельных линий 6 кВ / Е В Чеботарев, Г М Лебедев // Тр. Моек Энерг институт - 1981 - Вып 511 - С 46-52

13 Лебедев ГМК вопросу о выборе уровня испытательного напряжения для кабельных линий 6 кВ / Г М Лебедев, М., Моск. энерг. ин-т., 1981 - 7 с -Деп в ИНФОРМЭНЕРГО 30 03 81, № Д840

14 Лебедев Г М Вопросы рациональной эксплуатации кабельных линий на промышленных предприятиях / Г М Лебедев, Н П Свиридов, В М. Чумаков // Тр Моек энерг ин-т -1982.- Вып 559 - С 40-45

15 Лебедев ГМ Анализ повреждаемости кабельных линий 6 кВ в ПО «Салаватнефтеоргсинтез» / Г М Лебедев, А Е Малышев // Тр Моек энерг институт -1982 - Вып. 558 - С 39-44

16 Федоров А А Выбор режима нейтрали электротехнических установок, заземление и электрокоррозия / А А Федоров, ГМ Лебедев // Основы электроснабжения промышленных предприятий - М Энергоатомиздат, 1984 -С 324-354

17 Гринберг Ю М Обнаружение дефектов межвитковой изоляции всып-ных обмоток асинхронных двигателей методом импульсного зондирования / Ю М Гринберг, Г М Лебедев, В С Волканов // Повышение надежности и экономичности взрывозащищенного электрооборудования - Кемерово - НИИ ПО КЭМЗ - Вып 10 - 1986 - С 30-31

18 Разгильдеев Г И Определение срока службы кабелей с бумажной изо-

ляцией/ГИ Разгильдеев, ГМ Лебедев//Тр/Моек энерг институт- 1986-Вып 90-С 123-131

19 Федоров А А Режимы нейтрали и заземление электроустановок / А А Федоров, ГМ Лебедев // Справочник по электроснабжению промышленных предприятий - М: Энергоатомиздат, 1986 - С 97-105.

20 Гринберг Ю М Выбор диагностического параметра при оценке технического состояния всыпных обмоток /ЮМ Гринберг, Г М Лебедев, В С Волканов // Взрывозащищенное и рудничное электрооборудование - Кемерово -НИИ ПО КЭМЗ - Вып 12 -1987 - С 98-103

21 Гринберг Ю М Анализ методов контроля изоляции асинхронных двигателей /ЮМ Гринберг, Г М Лебедев, В С Волканов // Взрывозащищенное и рудничное электрооборудование - Кемерово - НИИ ПО КЭМЗ - Вып 12 - 1987 -С 64-71

22 Гринберг Ю М Математическая модель для исследования переходных процессов в асинхронных двигателях как параметров диагностики обмоток /ЮМ. Гринберг, Г.М Лебедев, И П Ларионова, А В Брылев, Кемерово, НИИ ПО КЭМЗ, 1989 - 13 с - Деп в ИНФОРМЭЛЕКТРО 30 11 89, № 239-ЭТ89

23 Лебедев Г М Устройство для быстрой оценки технического состояния всыпных обмоток электродвигателей / Г М Лебедев, Ю М Гринберг // Электрификация и автоматизация горных работ - Кемерово - / Кузбасский политехи ин-т-Межвуз сб научн тр.-1992-С 48—51

24 Разгильдеев Г И Модель профилактики кабелей, эксплуатируемых в увлажненной среде с прерывистым циклом работы / Г И Разгильдеев, Г М Лебедев // Электрификация и автоматизация горных работ, Кемерово - 1992.- Кузбасский политехи ин-т, Межвуз сб научн тр -С 9-15

25 Бахтин Н А Определение дефектов кабельной изоляции методом зондирования высокочастотными колебаниями /НА Бахтин, В И Брагинский, Г М Лебедев // Перспективные технологии производства пищевых продуктов. - Кемерово-КемТИПП.-1996-С 172-176

26 Лебедев Г М Обнаружение локальных дефектов в изоляции кабельных линий по измерению их входного и волнового сопротивлений / Г М Лебедев, В И Брагинский // Кемеровскому технологическому институту пищевой промышленности 25 лет достижения, проблемы, перспективы - Кемерово -КемТИПП - 1998 - Сб научных трудов, ч 2 - С -137-141

27 Lebedev G М Mathematical modelling of lokal defects in the insulation of cable lines /GM Lebedev, N A Bakhtm and VI Braginskii // Electrical Technology Russia- 1998 - № 4- P 128-135

28 Лебедев ГМ Пути повышения надежности кабельной арматуры / Г М Лебедев, Д М Мешков // Сб научных работ — Кемерово - КемТИПП -Выпуск 1 -2001 - С 141

29 Лебедев ГМ. Разработка оптимальной стратегии профилактики кабельных линий напряжением 6-10 кВ // Сб научных работ/ГМ Лебедев, А Г Белокуров -Кемерово - КемТИПП - Выпуск 1 - 2001 - С 140

30 Лебедев Г М Методы расчета электрических полей в кабельной арматуре / Г М Лебедев, Д М Мешков // Сб научных работ - Кемерово - Кем-

ТИПП - Выпуск 3 - 2001 - С 140

31 Лебедев Г М Разработка оптимальной стратегии профилактики кабельных линий напряжением 6-10 кВ / Г М Лебедев, А Г Белокуров // Сб научных работ - Кемерово - КемТИПП - 2003- С 178-181

32 Лебедев Г М Обоснование выбора расчетной модели и метода расчета электрических полей в кабельной арматуре / Г М Лебедев, Д М Мешков // Сб научных работ - Кемерово - КемТИПП - 2003 - С 182-186

33 Лебедев Г М Определение дефектов изоляции кабельных линий высокочастотным методом контроля / Г М Лебедев, Н А Бахтин, В И Брагинский // Электрика,- 2003 - № 1- С 37-40

34 Лебедев Г М Устойчивость разностных методов численного решения дифференциальных уравнений при расчете электромагнитных полей в кабельной арматуре / Г М Лебедев, Д М Мешков // Сб научных работ - Кемерово -КемТИПП - Выпуск 6 - 2003 - С 97

35 Лебедев Г М Моделирование электрического поля в трехмерном пространстве в кабельной заделке 6-10 кВ // Сб научных работ / Г М Лебедев, Д М Мешков - Кемерово - КемТИПП- 2004 - С 234-238

36 Лебедев Г М Определение оптимальных размеров выравнивающего конуса кабельной заделки на основе моделирования электрического поля в трехмерном пространстве / Г М Лебедев, Д М Мешков // Электрика - 2004 - № 9 - С 33-38

37 Патент РФ 2240547, МКИ ООШ 27/20 Способ определения локальных дефектов изоляции труб и кабелей / Лебедев Г М, Бахтин Н А, Брагинский В И - № 2003106055/28, Заявл 04 03 03, Опубл 20 11 04, Бюл № 32 - 6 с

38 Лебедев Г М Моделирование электрического поля в трехмерном пространстве кабельной разделки с целью получения оптимальных размеров выравнивающего конуса / Г М Лебедев, Д М Мешков // Сб. научных работ - Кемерово,- КемТИПП - Выпуск 8 - 2004 - С 38-41

39 Лебедев Г М Стратегия диагностики изоляции кабельных линий 6-10 кВ методом высокочастотной рефлектометрии / ГМ Лебедев // Сб научных работ - Кемерово - КемТИПП - Выпуск 8 - 2004 - С 34-37

40 Лебедев Г М. Диагностика изоляции кабельных линий 6-10 кВ методом высокочастотной рефлектометрии / Г М Лебедев // Электрика - 2005 - № 5 - С 39-41

41 Лебедев Г М Моделирование электрического поля в трехмерном пространстве кабельной разделки с целью получения оптимальных размеров выравнивающего конуса / Г М Лебедев, Д М Мешков // Электрификация металлургических предприятий Сибири - Томск Изд-во Том ун-та, Вып 12, 2005 -С 187-190

42 Лебедев Г М Повышение надежности кабельных линий 6-10 кВ на основе техноценологического подхода / Г.М Лебедев // Электрификация металлургических предприятий Сибири - Томск Изд-во Том ун-та, Вып 12, 2005-С 163-171

43 Лебедев ГМ Диагностика изоляции кабельных линий 6-10 кВ методом высокочастотной рефлектометрии / Г.М Лебедев // Электрификация ме-

таллургических предприятий Сибири.- Томск Изд-во Том ун-та, Вып. 12,

2005 - С 233-236

44 Патент РФ № 56080, МПК H02G 15/00 Выравнивающий конус для кабельной муфты / Г M Лебедев, Д M Мешков (РФ) - № 2006105915/22, Заявл 28 02.2006, Опубл 27 08 2006, Бюл № 24 - 1 с

45. Лебедев Г M Прогнозирование отказов кабельных линий 6-10 кВ с использованием техноценологического подхода / Г M Лебедев, Д M Мешков // Электрика -2006 -№ 11 - С 27-29

46 Лебедев Г M Анализ аварийности кабельной сети 3-10 кВ ОАО «ЗСМК» / Г M Лебедев, A M Миронов // Техника и технология пищевых производств Сб научн работ / Под ред В П Юстратова - Кемерово - КемТИПП -

2006 - С 65-70

47. Лебедев Г M Повышение надежности кабельных линий 6-10 кВ на основе техноценологического подхода / ГМ Лебедев н Техника и технология пишевых производств Сб научн работ / Под ред В П Юстратова - Кемерово -КемТИПП - 2006 - С 60-64

48 Лебедев Г M Диагностика изоляции кабельных линий 6-10 кВ методом высокочастотной рефлектометрии / Г М. Лебедев // Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики Материалы VII Международ науч -практ конф , г Новочеркасск, 29 сент 2006 г В 3 ч / Юж -Рос гос техн ун-т (ВПЙ) - Новочеркасск ЮРГТУ, 2006 - Ч 1- С 4-7

49 Лебедев Г M Моделирование электромагнитного поля концевой кабельной муфты 6-10 кВ в трехмерном пространстве / Г M Лебедев, Д M Мешков // Моделирование Теория, методы и средства Материалы V Международ науч -практ конф , г Новочеркасск, 29 апреля 2007 г В 3 ч / Юж.-Рос гос техн ун-т (НПИ) - Новочеркасск- ЮРГТУ, 2007 - Ч 2- С 11-15

50 Лебедев Г M Методика повышения устойчивости техноценозов «Кабельная сеть» промышленных предприятий и городов / Г М. Лебедев // Электрификация металлургических предприятий Сибири - Томск. Изд-во Том унта, Вып 13,2007-С 35-36

Подписано в печать Й С В О У Зак.Тир. К'Ь П.л. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТЦИИ

КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ

1.1. Краткая характеристика кабельных сетей исследуемых предприятий.

1.2. Организация эксплуатации кабельных линий на примере Кемеровской городской электрической сети.

1.2.1. Анализ статистических данных третьего сетевого района г. Кемерово.

1.2.2. Анализ отказов кабельных линий в Кемеровской городской электрической сети.

1.3. Повреждаемость кабельных линий в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».

1.4. Исследование повреждаемости кабельных линий в КО АО «Азот» и на Макеевском металлургическом заводе.

1.4.1. Анализ отказов кабельных линий в КО АО «Азот»

1.4.2. Эксплуатационные закономерности изменения тока утечки и сопротивления изоляции кабельных линий

1.4.3. Исследование и определение периодичности испытаний кабельных линий в КО АО «Азот» и на Макеевском металлургическом заводе.

1.5. Повреждаемость кабельных линий в Новомосковской акционерной компании «Азот».

1.6. Анализ отказов кабельных линий в ОАО «ЗСМК».

1.7. Выводы по главе

Глава 2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ

КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ.

2.1. Дефекты кабельной изоляции и виды ее пробоя.

2.1.1. Краткие сведения о кабельной изоляции.

2.1.2. Классификация дефектов и причин, вызывающих их возникновение в кабельных линиях.

2.1.3. Виды пробоя кабельной изоляции.

2.2. Методы разрушающего контроля.

2.2.1. Методы контроля с отключением кабельных линий

2.2.1.1. Испытание повышенным напряжением промышленной частоты.

2.2.1.2. Испытание силовых кабелей импульсным напряжением.

2.2.1.3. Испытание кабельных линий повышенным напряжением выпрямленного тока.

2.2.1.4. Испытание кабелей повышенным напряжением выпрямленного тока по двухполярной схеме

2.2.1.5. Испытание на постоянно-переменном токе

2.2.2. Испытания без отключения кабельных линий от сети

2.2.2.1. Испытание под рабочим напряжением.

2.2.2.2. Метод замыкания фазы на землю.

2.2.2.3. Метод искусственно созданных перенапряжений.

2.3. Неразрушающие методы контроля.

2.3.1. Измерение сопротивления изоляции.

2.3.2. Измерение коэффициента абсорбции.

2.3.3. Контроль состояния изоляции по значению емкости

2.3.4. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь

2.3.5. Контроль изоляции по интенсивности частичных разрядов.

2.3.6. Тепловизионный метод контроля.

2.3.7. Метод измерения и анализа возвратного напряжения

2.4. Выводы по главе 2.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО

КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ.

3.1. Рефлектометрический метод.

3.1.1. Метод импульсной рефлектометрии.

3.1.2. Метод высокочастотной рефлектометрии.

3.2. Выводы по главе 3.

Глава 4. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРОФИЛАКТИКИ

КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА

ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ.

4.1. Модель профилактики с использованием испытаний повышенным напряжением выпрямленного тока.

4.1.1. Анализ существующих методик по выбору уровня испытательного напряжения.

4.1.2. Определение уровня испытательного напряжения на основе технико-экономических показателей

4.1.3. Анализ существующих методик определения периодичности испытаний.

4.1.4. Определение периодичности испытаний по изменению прогнозирующего параметра.

4.1.4.1. Выбор прогнозирующего параметра.

4.1.5 Модель оптимальной профилактики кабельных линий на основе метода высокочастотной рефлектометрии . 187 4.1.5.1. Определение критического значения емкости локального дефекта изоляции кабеля.

4.3. Модель профилактики кабелей, эксплуатируемых в увлажненной среде с прерывистым циклом работы

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. АНАЛИЗ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КАБЕЛЬНЫХ МУФТ И

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ НАДЕЖНОСТИ.

5.1. Повреждения концевых муфт и методы выравнивания электрического поля на конце кабеля.

5.1.1. Способы регулирования электрического поля в изоляции муфт.

5.2. Анализ кабельных муфт, применяемых в электрических сетях промышленных предприятий и городов.

5.3. Анализ методов расчета электромагнитных полей в кабельных муфтах.

5.3.1. Цели расчета электрических полей.

5.4. Методы натурного моделирования электрических полей

5.4.1. Особенности моделирующих устройств.

5.4.2. Модели на основе проводящей бумаги.

5.4.3. Сеточные модели.

5.4.4. Модели на основе жидких проводящих сред.

5.4.5. Численные методы расчета электрических полей

5.4.5.1. Метод конечных разностей.

5.4.5.2 Вариационные методы.

5.4.5.3. Метод интегральных уравнений.

5.4.5.4. Метод эквивалентных зарядов.

5.4.5.5. Методы конечных элементов.

5.5. Выбор расчетного метода.

5.6. Методы Галеркина.

5.6.1. Конечноэлементная аппроксимация.

5.6.2. Проекционная формулировка конечноэлементных методов.

5.6.2.1. Метод Галёркина с конечными элементами

5.6.4. Применение метода Галёркина с конечными элементами к эллиптическому дифференциальному уравнению в частных производных.

5.7. Определение оптимальных размеров выравнивающего конуса.

5.7.1. Постановка задачи.

5.7.2. Математическая модель электромагнитного поля в концевой муфте.

5.7.2.1. Квазистационарное приближение уравнений электромагнитного поля.

5.7.3. Постановка граничных условий в концевой муфте 275 5.8. Выводы по главе 5.

Глава 6. РАНГОВЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЦЕНОЗОВ «КАБЕЛЬНАЯ СЕТЬ»

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ГОРОДОВ.

6.1. Постановка задачи.

6.2. Ранговый анализ техноценоза кабельная сеть 3-10 кВ ОАО «ЗСМК».

6.3. Прогнозирование отказов кабельных линий 6-10 кВ в Кемеровской городской электрической сети.

6.4. Выводы по главе 6.

Внедрение современных технологий и совершенствование существующего промышленного производства, рост электропотребления у населения и в сфере услуг, повышение экологических требований ведут к ежегодному росту электропотребления на 2-5 % по регионам Российской Федерации. Это увеличивает протяженность сетей передачи и распределения электрической энергии, и в частности, кабельных линий (КЛ), которым отводится значительная роль в системах электроснабжения промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства: на крупных предприятиях и в крупных городах они стали практически единственным способом передачи и распределения электроэнергии. КЛ относятся к дорогостоящим, ответственным и долговременным элементам систем электроснабжения. Большинство объектов таких отраслей промышленности как химическая, нефтехимическая, металлургическая, потребители многих организаций, служб жилищно-коммунального хозяйства по требованиям к обеспечению электрической энергией относятся к потребителям первой категории. При сохранении потребителей второй категории и уменьшении третьей появились объекты, требующие три независимых ввода (источника питания) при двух и более резервных генерирующих мощностях. Это увеличивает кабельные потоки. Поэтому повышение надежности силовых КЛ - одна из важнейших задач обеспечения надежного электроснабжения потребителей.

Как известно, запас прочности кабелей предлагается по результатам научных исследований, рассчитывается на стадии конструирования и проектирования, а при изготовлении заводом электротехнической промышленности принимает конкретное значение. Этот запас и определяет уровень надежности кабелей в эксплуатационных условиях. Увеличение уровня эксплуатационной надежности можно достигнуть совершенствованием технологии производства (изготовления), применением новых изоляционных материалов, конструкций и оболочек кабелей. Однако создать абсолютно надежное кабельное изделие невозможно технически и не оправданно экономически. Поэтому основной задачей при эксплуатации кабеля является сохранение его запаса прочности, точнее, поддержание уровня надежности, заложенной заводом-изготовителем на рассчитываемый срок.

В реальных условиях эксплуатации на протяженный кабель воздействует множество разрушающих факторов, большинство из которых являются случайными. Эти воздействия ведут к снижению уровня надежности КЛ. Для сохранения нормативного ресурса или для повышения эксплуатационной надежности силовых кабелей до требуемого уровня применяют разнообразные мероприятия. К ним можно отнести: защиту кабелей в траншеях и при открытой прокладке; строительство защитных кабельных сооружений (кабельные туннели и каналы, кабельные эстакады, шахты и др.); повышение квалификации обслуживающего персонала; повышение технической оснащенности служб, занимающихся профилактикой, монтажом и ремонтом электрических сетей.

Однако это не исключает отказа кабелей из-за естественного старения изоляции, наличия в них заводских дефектов, механических и иных ошибочных воздействий. При серийном производстве и массовом применении кабелей имеется вероятность появления в их изоляции дефектов из-за разного рода ошибок, возникающих как в процессе изготовления, транспортировки, монтажа, так и во время эксплуатации, вследствие неучтенных внешних воздействий, изменения уровня поверхностных вод и роста агрессивности грунта, обычные для городов и металлургической промышленности. Поэтому, чтобы существенно снизить вероятность аварийного повреждения изоляции кабеля, используется система контроля их состояния на основе различных профилактических мероприятий.

КЛ - наиболее трудно проверяемые элементы системы электроснабжения на предмет их технического состояния. Несмотря на это, исследование их изоляции в условиях эксплуатации имеет большую практическую значимость и является обязательным.

Возникающие в последнее время аварии в электроэнергетике России и других стран приводят к нарушению электроснабжения промышленных и бытовых потребителей и как следствие к большим экономическим убыткам. Одной из главных причин аварий является моральный и физический износ электрооборудования. В [296] отмечается, что от 60 до 80 % основных фондов в энергетике выработали свой ресурс, и такое положение не только в России, но и во всем мире.

По данным Г.С. Бокова [111] общая протяженность электрических сетей в России 0,4-110 кВ превышает 3 млн. км, а протяженность кабельных сетей напряжением 3-20 кВ составляет 240,1 тыс. км, по которым передается 111,5 ГВА мощности. Аварии в сетях 6-10 кВ составляют около 70 % всех нарушений электроснабжения потребителей. Согласно [123], на сегодня кабельные сети 6-10 кВ состоят приблизительно на 95 % из кабелей с бумажной-пропитанной изоляцией. Существующая система контроля изоляции повышенным напряжением выпрямленного тока малоэффективна и к тому же вредна.

Моральный и физический износ КЛ 6-10 кВ в системах электроснабжения составляет 40-95 % [17; 23; 24; 25; 111; 126; 173; 224; 226; 271; 302 и др.]. Г.С. Боков в [111] отмечает, что «электрические подстанции и линии находятся в состоянии, которое позволит обеспечить надежное электроснабжение потребителей только примерно до 2010 г.». Л. Ковригин более категоричен в оценке состояния КЛ страны [296]: «сейчас наступает момент, когда они все разом могут выйти из строя».

На первый взгляд решение этой проблемы заключается в замене КЛ 6-10 кВ, выработавших свой ресурс, новыми и современными, например, из сшитого полиэтилена, нормативный срок службы которых составляет 50 лет. Об этом пишут многие авторы [15; 28; 80; 126; 148; 226; 237; 253; 302; 349; 350 и др.].

Замена всех КЛ в течение одного года или двух лет потребует большие затраты. По утверждению профессора Л. Ковригина [296] «однозначно, такие расходы страна не выдержит». Следовательно, замену К Л 6-10 кВ необходимо производить постепенно в течение 10-15 лет. Тогда возникает вопрос о надежности существующих КЛ, их ресурсе для дальнейшей работы.

Выходом из этого положения является неразрушающая диагностика, которая позволит классифицировать КЛ по их остаточному ресурсу и создать алгоритм постепенной замены старых кабелей. Следовательно, реально увеличить срок службы KJI сверх нормативных сроков и с большой экономией обеспечить их техническое обслуживание и ремонт. Дискуссия и публикации в литературе подтверждают изложенный подход по решению этой крупной проблемы [15; 18; 78; 84; 149; 150; 194; 206; 232; 234; 296; 312; 375 и др.].

Цель работы - научное обоснование технических, технологических и тех-ноценологических решений по повышению эффективности функционирования кабельных линий 6-10 кВ крупных промышленных предприятий и городов за счет комбинированных средств контроля их изоляции и улучшения менеджмента кабельных сетей.

Задачи исследований;

- определить современный уровень эксплуатации кабельных линий, оценить эффективность системы их профилактического обслуживания, опираясь на полученные статистические и обработанные экспертные данные;

- классифицировать кабельные дефекты, причины отказа KJI, методы контроля изоляции и современные модели профилактики KJI;

- с технико-экономической точки зрения сформулировать требования к методам профилактических испытаний и на их основе оценить эффективность существующих и вновь предлагаемых методов диагностики KJI;

- разработать метод неразрушающей диагностики изоляции КЛ, отвечающий современным рыночным требованиям экономии ресурсов и требованиям надежного электроснабжения;

- разработать оптимальную модель профилактики КЛ, использующую наиболее эффективный метод диагностики и включающую алгоритм стратегии замены кабелей, отработавших остаточный ресурс, на новые кабели;

- создать математическую модель расчета электромагнитного поля в трехмерном пространстве в разделке кабеля для обоснования выбора выравнивающего конуса (ВК) с целью уменьшения максимальной напряженности электрического поля в концевой муфте и разработать методику расчета её оптимальных размеров;

- с учетом замены отработавших остаточный ресурс кабелей на новые, провести ранговый ценологический анализ, охватывающий существующие и прокладываемые кабели, для выделения ответственных, установления очередности замены и отказа от обслуживания определенных групп на длительный период времени;

- разработать и внедрить методику повышения устойчивости техноценоза -«Кабельная сеть» крупного промышленного предприятия и «Кабельная сеть» города (округа) в целом.

Методы исследований. В работе решение поставленных задач осуществлено на основе теоретического, эмпирического и экспериментального методов исследований.

Теоретический метод включает: научное обобщение и анализ теоретических исследований по изучению методов выравнивания электрического поля в кабельной муфте, методов диагностики изоляции КЛ, моделей профилактики, метода построения оптимального техноценоза.

Эмпирический метод включает: выдвижение статистической гипотезы, выбор и описание объектов исследований, обработку результатов исследований методами теории вероятностей, математической статистики, рангового анализа и теории оптимального планирования.

Экспериментальный метод включает: численное моделирование распределения электрического поля в трехмерном пространстве кабельных концевых муфт с помощью конечно-элементных методов расчета напряженности электрического поля и использованием ПК для определения размеров и формы образующей выравнивающего конуса, имитационное моделирование предлагаемого метода диагностики изоляции КЛ, проведение натурных испытаний по результатам исследований.

Объект исследований - системы электроснабжения промышленных предприятий и городов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующих положениях:

- проведено комплексное исследование эффективности существующего профилактического контроля изоляции КЛ в системах электроснабжения промышленных предприятий и городов, охватывающее всё множество проложенных высоковольтных кабелей объекта;

- впервые разработаны классификации кабельных дефектов, внешних воздействий на КЛ и методов контроля изоляции КЛ;

- впервые проведено компьютерное моделирование электрического поля в разделке трехжильного кабеля в трехмерном пространстве при переменном напряжении с учетом влияния полей жил друг на друга;

- предложена геометрия конструкции выравнивающего конуса, отличающаяся от разработанной на кафедре ТОЭ и электрофизики МЭИ (ТУ) совместно с лабораторией кабельной арматуры ОАО «НИИпроектэлектромонтаж» В.И. Бер-маном, В.М. Юркевичем, Е.М. Феськовым тем, что в качестве образующей ВК имеет показательную функцию. Это позволяет в большей степени уменьшить максимальную напряженность в концевой муфте.

- разработана методика расчета оптимальных размеров ВК на основе моделирования электрического поля в трехмерном пространстве;

- впервые сформулированы требования к методам профилактического контроля изоляции КЛ;

- разработан новый неразрушающий метод высокочастотной рефлектомет-рии для диагностики изоляции К Л 6-10 кВ, наиболее полно отвечающий поставленным в работе требованиям;

- разработана оптимальная модель профилактики кабельных линий на основе метода высокочастотной рефлектометрии с информационно-программной реализацией;

- разработана методика определения периодичности испытаний КЛ, работающих в увлажненной среде с прерывистым циклом работы;

- разработана методика повышения устойчивости техноценозов - «Кабельная сеть» промышленного предприятия, «Кабельная сеть» города, имеющих свою специфику.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задачи, обоснованностью принятых допущений; адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам; подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными исследований и испытаний лабораторных и промышленных образцов.

Практическая ценность работы. На основе анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан неразру-шающий метод диагностики изоляции кабельных линий - МВР. На основе метода высокочастотной рефлектометрии разработана оптимальная модель профилактики КЛ. На основе компьютерного моделирования электрического поля в трехмерном пространстве в разделке кабеля разработана методика расчета размеров выравнивающего конуса для концевой кабельной муфты. Построены оптимальные техноценозы - кабельная сеть промышленного предприятия, города. Результаты аналитических и экспериментальных исследований внедрены на промышленных предприятиях, а также включены в лекционные курсы, учебники и методические указания для выполнения лабораторно-практических занятий, курсовых работ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) разработка нового метода неразрушающей диагностики КЛ - метода высокочастотной рефлектометрии;

2) разработка модели профилактики КЛ с применением диагностики методом высокочастотной рефлектометрии и прогнозирования их состояния изоляции. Модель профилактики включает алгоритм постепенной замены КЛ, выработавших свой ресурс, новыми кабелями, с учетом способа их прокладки, определяемого совокупностью воздействий разрушающих факторов, а также позволяет улучшить менеджмент кабельной сети;

3) разработка методики определения оптимальных размеров выравнивающего конуса на основе моделирования электрического поля в трехмерном пространстве разделки кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией с целью повышения надежности концевых муфт;

4) необходимость и эффективность применения техноценологического подхода при исследовании KJI 6-10 кВ систем электроснабжения городов и промышленных предприятий с целью создания устойчивых ценозов и получения долгосрочного прогноза отказов KJ1 в работе.

5) повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий и городов за счет новых технических решений и менеджмента, повышающего эффективность работы электротехнических служб.

Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались: на Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического и электротехнического оборудования (г. Москва, 1980 г.); на юбилейной научной конференции Московского энергетического института (г. Москва, 1980 г.); на заседании энергетического факультета университета технического прогресса ПО «Салаватнефтеоргсинтез» (г. Салават, 1981 г.); на научно-технических семинарах кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) (1980, 1981, 2005-2006 г.г.); на расширенных научно-технических семинарах кафедры «Электротехника и электрооборудование» Кемеровского технологического института пищевой промышленности (1981-2006 г.г.); на международной научно-технической конференции «Электрификация металлургических предприятий Сибири» (г. Новокузнецк, 2004 г.); на семинаре энергетиков металлургической промышленности (г. Москва, 2005 г.); на Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2006 г.); на XI Международной конференции "Ценоз как объект новой научной картины мира" (г. Москва, 2006 г.); на седьмой Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (г. Новочеркасск, 2007 г.). на научно-практической конференции МЭИ (ТУ) «Электрификация: история, настоящее, будущее», посвященная 100-летию со дня рождения основателя кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» - проф. A.A. Федорова (г. Москва, 2007 г.)

Публикации. Результаты исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 50 опубликованных работах, в том числе в трех монографиях и имеют приоритет, подтвержденный двумя патентами.

Объем и структура работы. Диссертационная работа выполнена на 350 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, 3-х приложений, содержит 145 рисунков, 23 таблицы, 389 наименований литературных источников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований дано теоретическое обоснование и решение научной проблемы повышения эффективности эксплуатации кабельных линий 6-10 кВ на основе неразрушающей диагностики, имеющей важное социальное и технико-экономическое значение.