автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методов диагностики и резервирования элементов схем электроснабжения собственных нужд электрических станций

а 0 ^ ; V:

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛХЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

АЛЬ-НАСЕР АХМАД АЛЬ-ХАСАН

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ И РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУНД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станция

(электрическая часть), сети, электроэнергетические система и управление ими

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедре "Электрические станции" Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук,-

Ведущее предприятие - ШО "МОСЭНЕРГО". Защита диссертации состоится "-4 " Февраля 1992 г. в аудитории Г-201 в 17 часов 30 мин На заседании специализированного Совета К 053.16.17 в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте по адресу: 105835, ГСП Москва Е-250, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан -- 1992 р.

Ученый секретарь

специализированного Совета К 053.16.17.

доцент БАЛАКОВ Ю.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор СИВОКОБЫЛЕНКО'В.Ф., кандидат технических наук, доцент САВЕЛЬЕВ В.А.

кандидат технических наук

;.г . Общая характеристика

гдел !

'ШМО^я^ность работа: безаварийная и экономичная работа электростанций тесно связана с надежностью работы системы электроснабжения их собственных нужд (СЭСН). Электроснабжение потребителей СН осуществляется от генераторов станции на напряжение 6-10 кВ. Тип схемы СН электростанции зависит от типа самой станции Г блочная, с поперечными связями). Главные потребители схем С11 электростанции - электропривода производственных механизмов таких, как циркуляционные, конденсатнне, электропитательные насосы, дымососы, дутьевые вентиляторы и другие. Одним из элементов систем электроснабжения СИ электростанции являются силовые кабели, предназначенные для пеоедачи и распределения электрической энергии к отдельным потребителям СН.

Так как надежность работы электрической станции тесно связана с надежностью работы СЭСН, которая, в свою очередь, зависит от надежности работы составляющих ее элементов, то разработка методов диагностики и резервирования элементов СЭСН электрических станций является актуальным вопросом, решение которого способствует повышению надежности работы СН электрических станций.

Цель работы: разработка методов диагностики изоляции кабелей СН 6-10 кВ и определение их срока службы в эксплуатации под влиянием эксплуатационных факторов; разработка методов повышения надежности работы элементов СЭСН электрических станций. В соответствии с указанной целью основные задачи диссертационной работы заключаются в следующем:

- разработать метод исследования срока службы кабеля СН 6-10 кВ, учитывающий влияние приложенного напряжения, нагрузки, температуры окружающей среды, КЗ и т.д.;

- разработать математическую модель для определения срока службы кабелей 6-10 кВ в эксплуатации;

- разработать метод диагностики ресурса кабельной изоляции кабелей 6-10 кВ различного типа изоляции;

- разработать методику обоснования установки генераторных выключателей на блоках КЭС;

- разработать методику обоснования целесообразности резер-

вирования основных механизмов СИ электрической станции.

Практическая ценность:

1. разработан метод исследования срока службы кабелей СК 6-10 кВ в эксплуатации;

2. разработан алгоритм и математическая модель для определения срока службы кабелей СН 6-10 кВ различного типа изоляции в эксплуатации;

3. разработан метод диагностики ресурса кабельной изоляции в эксплуатации;

4. показана целесообразность установки генераторных выключателей для всех блоков ТЭС; разработан метод обоснования установки генераторных выключателей на блоках КЭС;

5. на базе разработанной методики обоснования целесообразности резервирования основных механизмов КЭС с блоками 500 мВт доказана необходимость применения 100^-го скрытого резерва для основных механизмов СЭСН.

На зажиту вчпосятся:

- методика исследования срока службы кабелей СН 6-10 кВ в эксплуатации;

- математическая модель для определения стока службы кабелей СН 6-10 кВ различного типа изоляции;

- методика диагностики ресурса кабельной изоляции с учетом ее омического сопротивления;

- методы обоснования целесообразности резервирования основных механизмов СН КЭС с блоками 500 МВт и установки генераторных выключателей на блоках ТЭС.

Лппобаттия работы: основное положения диссертационной работы докладывалась и обсуждались на кафедре "Электрические станции" в ?"ЭИ в 1991 году. Частично, результаты работы используются на ЭГРЗС-1 при проведении профилактических испытаний кабелей 6-10 кВ СЭСН.

Объем и структура работы; диссертация состоит из четырех глав и списка литературы из 96 наименований и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 158 страницах, содержит 4-i таблицы и 46 рисунков.

Содержание работы

В пепвой главе формулируются задачи исследования; выполнен сравнительный анализ исследований методов повышения надежности систем СН электрических станций. В подавляющем числе случаев это методы, котоиые анализируют надежность систем по методу приведенных затрат. Рассмотрен вопрос эксплуатационной надежности кабелей С11 6-10 кВ электростанций. Анализ показывает, что основное влияние на срок службы кабелей 6-10 кВ в эксплуатации оказывает температурный фактор или нагрев кабеля рабочим током с учетом характеристики окружающей среды. Вопрос прогнозирования срока службы кабелей в эксплуатации с учетом факторов, которые влияют на надежность их работы не рассмотрен в литературе. Каждый источник рассматривает способ повышения надежности работы кабеля с точки зрения определения допустимых параметров в различных режимах работы кабеля. Была попытка определения срока службы кабелей 6 кВ, но она базируется на сложных расчетах я не учитывает влияние приложенного напряжения. Метод исследования, предложенный автором, основывается на опыте перевода кабелей 6 кВ на напряжение 10 кВ, что позволило разработать метод прогнозирования срока службы кабелей 6-10 кВ с учетом его нагрузочной.способности.

Повышение надежности схемы СН путем резервирования их механизмов основывается на том, что при отказе какого-либо механизма может возникнуть математическое ожидание ущерба от ненадежности данной системы. 7редлагаемый автором метод позволяет учесть влияние резервирования основных механизмов СН на математическое ожидание ущерба при его Енезапном отказе на работу электростанции и, в результате, достигнуть оптимального варианта СЭСН по числу и мощности основных механизмов СН КЭС.

При анализе работ, в которых изложены методы повышения надежности СЭСН можно констатировать следующее:

1. в каждой работе исследовалось влияние отдельных факторов на надежность работы кабелей 6-10 кВ и но рассматривалась проблема в целом;

2. повреждаемость кабелей зависит, в основном, от способа прокладки, концевых заделок, нагрева жил, нагруз-

ки кабеля и не зависит от изменения напряжения в допустимых пределах;

3. определение срока службы на основе закона Аррени-уса дает результаты, расходящиеся с практикой эксплуатации;

4. нормы технологического проектирования не рекомендуют установку генераторных выключателей (ГВ) для базовых ТЭС;

5. существующая п.оактика выбора основных механизмов СЭСН как в СССР, так и в САР приводит к частым ограничениям выдаваемой электростанциями мощности из-за отказов механизмов.

Вторая глава посвящена вопросам разработки методов исследования и диагностики срока службы кабелей 6-10 кВ различного типа изоляции в эксплуатации. В результате анализа опыта эксплуатации кабелей 6-10 кВ и опыта перевода кабелей 6 кВ на напряжение 10 кВ было найдено, что срок службы кабелей 6 кВ, переведенных на напряжение 10 кВ сокращается примерно в 2 раза. При этом параметры работы кабеля изменяются, т.е. снижаются значение длительно допустимой температуры и длительно допустимого тока, а увеличивается рабочее напряжение. Если представить зависимость срока службы Ь-^а?,^) , то функцию напряжения V и температуры окружающей среды можно выразить изменения рабочих параметров кабеля с помощью выражения:

¿-к-к^к^Г/я" (1)

- температурный коэффициент, учитывающий нагрев кабельной изоляции; равен отношению допустимого нагрева к нагреву работе кабеля 6 кВ с номинальными параметрами (1) примет вид:

А,= А. = к /и" (г)

где: Кр,

При выражение

- ? -

■де: - нормативный срок службы кабеля.

После некоторых преобразований и с учетом влияния тем-ературы окружающей среды выражение (1) примет вид:

/. = К- К ■ Кр,- К^ IV" (3)

де: К^- - коэффициент, учитывающий влияние температуры окружающей среды, равен:

'к^ =ехрГЯ • СО

де: К^. - коэффициент, учитывающий влияние нагрева кабеля, / равен:

К ^ = ехр [О. • Кс • С?у } (5 )

К^ - коэффициент, учитывающий влияние нагрева кабеля рабочим током; равен

К

^ = ехрГ-С- ] (6)

К,п. - постоянные, зависят от типа изоляции, равные:

К = 43,4 кВ лет, п. = 0,44 для кабелей 6-10 кВ с бумажной изоляцией и К = 40,3 кВ лет, /7 = 0,56 для кабелей 6-10 кВ с пластмассовой изоляцией; й , Кс - соответственно, тепловой коэффициент расширения

кабельной изоляции и коэффициент старения, которые равны:

- а = 0,125 1/°С, Кс = 0,0865 - для кабелей 6-10 кВ с бумажной изоляцией;

- а = 0,1 1/°С , Кс = 0,11 - для кабелей 6-10 кВ с пластмассовой изоляцией.

По выражению (3) было проведено исследование на ЗИЛ ока службы кабелей 6-10 кВ различного типа изоляции. В зультате были получены зависимости срока службы указанных ка-лей от различных факторов, влияющих на их работу в эксплуата-и.

ИСХОДМЕ ДАННЫЕ

РАСЧЕТ

РАСЧЕТ К J.. К^

Mj. *ехрСа-«с-1-J?J Л> = Лг^Ла -Air d. ■ сум J J

РАСЧЕТ СРОКА СШБ11 КАБЕЛЯ , k'K-Hy Xr-Ho-./tf

ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

STOP

Рис.1. Алгоритм расчета влияния длительного ренима на срок службы кабелей 6-10 кЗ.

..5 04

f-Vc.Z. . Влияние нагрузки кабеля на его cdok службы -для кабеля 6 кВ с бумажно!» изоляиичй.

I- у ; 3.6z? гь, I- и-, з.iti.it КЬ, 3- ^ и= 2- Щ

-у ~

2о

ИГ 10

5 о

2. 1 г,

"Сп Л гг

-

%

+ » а м > 2? **

» о о о в т > ^ ^ -

1С.5. Влияние кратковременного режима на срок службы кабелей 10 кВ с

бумажной изоляцией, ^с«. (я*¿ос.

Рис.4. Влияние напряжения на срок службы кабелей 6 кВ с бумажной изоляцией: 1 - при (% = 10 С, 2 - при /9- - 25°С, 3 - при ¿§ = 30°с-

На рис.2 приведена зависимость срока службы кабелей 6 кВ от его нагрузки с учетом влияния температуры окружающей среды и на рис.3 приведено влияние времени перегрузки на срок службы кабелей 10 кВ. Влияние различных видов короткого замыкания на срок службы кабеля незначительное.

Сравнение полученных результатов с данными, приведенными в технической литературе, дало полное совпадение, что позволяет считать:

1. полученные выражения, базирующиеся на процессе перевода кабелей 6 кВ на напряжение 10 кВ, являются достоверными;

2. основное влияние на прок службы кабелей 6-10 кВ оказывает нагрев его рабочим током;

3. влияние изменения рабочего напряжения в допустимых пределах, температуры окружающей среды и КЗ, незначительно f рис.4?;

4. результаты, полученные с помощью математической модели старения кабелей 6-10 кВ в эксплуатации, позволяют рекомендовать ее к использованию в эксплуатации.

В третьей главе разработана методика диагностики ресурса кабельной изоляции с учетом ее омического сопротивления.

Срок службы кабельной изоляции можно записать в виде:

£п (4)

1 ~ ип cencßumjw С7>

Износ кабельной изоляции определяется выражением:

U М &*(&/&) г„,

И = U" L )

где: R^ , RK - соответственно, омическое сопротивление

кабельной изоляции в начале эксплуатации и минимально допустимое значение по ГОСТ при температуре 20°С, Г.'Ом;

Kjj - коэффициент нагрузки кабеля, равен отношению тока / к длительно допустимому току кабеля Тд , o.e.

Рис.6. Зависимость срока служби кабелей 6 кВ с бууатаой изоляцией от сопротивления кабельной изоляции.

Споротивление кабельной Таблица 1.

изоляции МОМ

3 начале эксп- Текущее' Срок службы кабеля

луатации значение

2500,00 1500,00 9,17

5000,00 1500,00 19,80

1000,00 500,00 14,60

2000,00 1500,00 5,34

3000,00 2000,00 •7,10

3000,00 2000,00 7,10

5000,00 2000,00 15,08'

4500,00 1000,00 25,04

3000,00 1000,00 19,23

3500,00 3000,00 2,64

2500,00 2000,00 ■ 4,00

• ЗООО.ОСГ"'^'* 2000,00 ' • .'-^ДО .

2000,00 . 1500,00 5,34

25,04

13,84

2,64

25,04

Рис. ^ • Результаты обработки статистических данных при нагрузке кабеля, равной 0,6.

Зависимость срока службы от омического сопротивления кабельной изоляции, представлена на рис.6. Сразненке результатов исследования с экспериментальными данными свидетельствует о достоверности предлагаемого автором метода.

В четвертой главе рассмотрены пути повышения надежности работы СЗСН КЭС; с этой целью б:-1ла разработана методика технико-экономических расчетов для вариантов электрических схем блоков ТЭС с генераторными выключателями и без них. Результаты расчетов представлены в табл.2, 3.

Для электроснабжения потребителей СЗСН с принятым уровнем расчетной надежности при режимных ограничениях необходимо усиливать пропускную способность элементов .схем ( в предельном случае дублировать их ) , или увеличивать резерв генерирующей мощности ЭЭС. Оптимизация пропускной способности элементов схем заключается в минимизации затрат на создание резерва генерирующей мощности в ЗЭС ~ (Я) и увеличение пропускной способности элементов схем О (п) , т.е.:

Л = 9Г/ь) + /СЯ) <з>

При конечных приращениях резерва мощности ЭЭС Р. получается критерий для определения оптимально"! пропускной способности элементов

¿(лЛ)/е£Са) =

где: Зп - удельный прирост затрат в пропускную способность элементов схем.

Поэтому для ликвидации дефицитов мощности можно определить необходимость увеличения пропускной способности ("резервирования) или резервной мощности б системе, используя вывакание:

¿ЪЖ'-Зу^с-йР Си)

где: К - коэффициент, учитывающий увеличение резерва мощло-сти ЗЭС;

3., _эс - удельные приведенные затраты в генерирующую мощность;

стар

Рис.8. Метрд обоснования установки генераторных выключателей на блоках КЭС 300, 500 МВт.

Таблица .2

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЙГНИКО-ЯКОНОУИЧЕСКЯХ РАСЧЕТОВ КГ5С 500 МЗт без ВГ

П в л' Г) Уо, тыо.руб. У„ , тыо .руб. Зж, тыо.руб.

1 • 1 0 0 29.7

2 1 1 .05 97.4 127.1

. 3 2 2.5 114.4 • 176.3

4 2 б.З 292.2 357.9

5 2 11.9 5с0.4 621 .7

б 2 19.3 889.1 967.8

7 3 24.2- 745.2 858.5

Таблица 3

РЕЗУЛЬТАТЫ ТгаНИКО-ЯКОНОМЯЧЕСККХ РАСЧЕТОВ КРС-500 МВт о ВГ

Чгсло блоков Пл. ЧИСЛО ПРТСН п Уцерб при остановке блока Тис. руб. Упгрб прз пуске блока % тыс.руб. Суш,'ЗрЕЫв затраты яо .руб.

1 1 0 . 0 16.9

2 1 3.8110"4 0.82 21 .3

3 2 2.3И0-3 1 .4 41.5

4 2 4.61 Ю~й 2.5 43.4

5 2 7.7Ц0~3 4.3 46.1

б' 2 0.012 6.65 49.3

7 2 0.01 6 9.5 52.9

или: ^ Рр I 3/ С Кр • Зудэс > (12)

' * 4 3/ С Ка ' ЗуДЭС) •

где:'^ =/>-4/^ ( .

Ка Ш)

Га - средние оценки необходимых соответственно ремонтного и аварийного резерва мощности ЗЗС; Ь3 - соответственно, годовая длительность планово-

принудительного ремонта элемента и блока; 5Э , - соответственно, вероятности отказа элемента схемы и блока. Использование аппарата удельных ущербов для обоснования резервирования механизмов СН КЭС 500 мВт с угольным топливом основывается на определении-суммарных затрат и ущербов при отказе какого-либо механизма СЭСН. Значения ущерба зависит от значения снижения частоты в системе в результат запирания мощности л Р при отказе данного механизмам

Если ¿/1 д/аур > то возникают системный ущерб и ущерб от снижения частоты в системе. Но если >4 то возникает ущерб у потребителей системы из-за отключения мощности:

р0 = лР - драчр ¿14) '

где: , л Р^^ - допустимые пределы снижения часто-

ты и мощности соответственно. Суммарные затраты определяются по выражению:

3А + + ///• ¿15)

Аналогично, для варианта с резервированием можно записать:

j KUAUbl-ifc .-Ai. gc.

PAcnrr дагсггА ucuocw из-за отказ; НШ^ега сн ¿p

РАСЧЕТ свсиея 4ACTOTJ В CIICTK.i:

расчет явга

1C-3A ШДОТЛУСКА IKKiOCTil У,

РЛСЧЛ СИСТЕМУ УЮТ'Л ¡1 УСТА ОТ CibUHiiU ЧАСТОГО

Ус-У»

X

| РАСЧЕТ ЗАТРАТ Ze • ~а

ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

X

5 тор

Рис .III. Алгорчтм О^ОСНОПГШКЧ РЧЯврвЧрОРГЧИЯ

олекентов СИ кх Ьии ЦЪт методом" удельного ущерба.

Рис.9. Алгоритм обоснования резервирования элементов Cii ICC 5U'J ¿Вт методом увеличения пропускной способности элементов.

-1« -

Результаты технико-экономических расчетов обоснования резервирования основных механизмов СЕ КЭС 500 МВт

а) Явный резерв

Механизм Зар.£ Суммарные затраты, руб. Метод резервной мощности Аппарат удельных уирбов

без резерва с резервом затраты на увеличение резервн. мощности тыс.руб. затраты на резерв тыс. РУЙ. • ущерб зат-тыс. раты руб. на ре зерв тыс. руб.

д.с. 2x50 141,6 126,4 34,038 29,34 23,8 8,59

д.з. 2x50 125,4 108,8 34,4 26,7 24,28 7,68

Кн-1 2x50 43,5 42,3 13,00 10,06 3,5 2,3

Кн-2 2x50 69,4 66,9 16,95 14,18 5,9 3,5

Ц.Н. 2x50 64,3 61,3 17,3 13,5 6,3 3,3

6) Скрытый резерв

Механизм Вар.# Затраты на увеличение резервной мощности Затраты на увеличение пропускной способности элемента

Д.С. 2x100 34,04 15,108

Д.В. 2x100 34,39 7,24

. Кн-1 2x100 13,004 6,518

Кн-2 2x100 16,88 7,45

Ц.Н. 2x100 . 13,76 5,7

м.м. 8x16 4,02 1,27

Разработанные методы обоснования резервирования меха-:змов СН КХ и целесообразности установки генераторных вык-чателей на КЭС 300, 500 мВт приводят к следующему:

1. установка генераторных выключателей на КЭС, повышает надежнооть их работы и уменьяает значение суммарных затрат;

2. резервирование механизмов СН КЭС повыяает надежность и экономичность ее работы;

3. оптимальные варианты - варианты со скрытым 10С$ резервом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в работе научные результаты по разработке тодов диагностики и резервирования элементов СЭ СН электри-ских станций позволяют повысить надежность и экономичность боты СЭСН КЭС.

Основные научные результаты работы:

1. разработана методика исследования срока службы • кабелей СН 6-10 кВ в эксплуатации;

2. разработана математическая модель срока службы кабелей СН 6-10 кЗ различного типа изоляции, дающая хорошее совпадение с данными, приведенными в технической литературе;

3. разработана методика диагностики кабельной изоляции 6-10 кЗ в эксплуатации, которая подтверждена данными эксплуатации;

4. установка генераторных выключателей на КЭС 300, 500 мВт при числе блоков более одного повышает надежность их работы;

5. разработаны методы резервирования механизмов СН КЭС 500 мВт;

6. совпадение результатов исследования резервирования, полученных тремя методами подтверждает достоверность результатов;

7. оптимальные варианты - варианты со скрытым 100^-ы?л резервом.

Полткано I» печати Л— '' ' . *

Исч. .1 /У¿Г Тираж З.|ьа1 01'

Типографий МЭН, Краоиоча (армпшая, П.