автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Технические средства диагностирования силовых кабельных линий 6-10 кВ с определением места повреждения методом колебательного разряда

0046

206

На правах рукописи

Юров Александр Александрович

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6-10 кВ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕТОДОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА

05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 НОЯ 2010

г. Новочеркасск - 2010

004612061

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно - Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ¡Быкадоров Владимир Фёдорович! Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Максимов Борис Константинович кандидат технических наук, доцент Сенчуков Александр Александрович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»

Защита состоится 19 ноября 2010 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д212.304.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», с авторефератом - на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «/5*» октября 2010 года

Ученый секретарь —-—

диссертационного совета Колпахчьян П.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач электроэнергетики России является обеспечение требуемого уровня надежности электроснабжения потребителей. Важным показателем, характеризующим надежность электроэнергетического оборудования, является время его нахождения в ремонте. Сокращение длительности ремонтного режима позволяет повысить надежность электроснабжения. Кабельные линии 6-10 кВ получили широкое применение в распределительных сетях энергосистем, в городах и на промышленных предприятиях. Повреждаемость кабельных линий в 2-3 раза выше, чем у других элементов сети электроснабжения, что вызывает необходимость периодического диагностирования и отыскания до 500 тыс. повреждений ежегодно в электрических сетях РФ. Анализ эксплуатационных свойств кабельных сетей показывает, что более 90% отказов в работе приходятся на кабельные линии, проложенные в земле. Время поиска таких повреждений составляет от нескольких часов до 5 суток и является наиболее сложной и дорогой операцией, так как до 50% затрат на ликвидацию повреждения приходится на определение места повреждения на трассе кабельной линии. Поэтому испытания и определение места повреждения (ОМП) силовых кабелей с максимальной точностью и наименьшими затратами времени и средств является важной задачей эксплуатации кабельных электрических сетей.

Многообразие видов повреждений и параметров повреждённых кабельных линий привело к созданию и применению большого количества устройств и методов диагностики. Негативное влияние оказывает различие условий диагностирования, которое обусловлено конструктивными особенностями кабельных изделий и свойствами современных изоляционных материалов. Отдельной задачей в указанных условиях становится проверка состояния изоляции силовых кабельных линий переносными испытательными установками, так как не всегда предоставляется возможность использования автолабораторий для испытания изоляции кабеля, особенно в условиях многоэтажных распределительных устройств электрических станций и подстанций. В результате испытания возможен пробой, поэтому отыскание места повреждения является актуальной задачей. Экономически оправданным подходом в решении указанной задачи может служить применение комбинированных переносных испытательных установок с регистратором расстояния до места повреждения. Компактность установки снижает проблему ограниченности пространства, а возможность исключения операции прожигания изоляции экономит время выполнения всего комплекса работ ОМП.

При выполнении диссертации использовались материалы ведущих учёных и специалистов: Платонова В.В., Быкадорова В.Ф., Шалыта Г.М., Спиридонова В. К. и других.

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с комплексной научно-технической программой Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) "Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем".

В работе обобщены результаты исследований и разработок, выполненных лично и при непосредственном участии автора, на кафедре «Электрические станции».

Целью работы является совершенствование технических средств диагностирования силовых кабельных линий с регистратором расстояния до места повреждения и повышение эффективности дистанционного определения места повреждения методом колебательного разряда.

Для достижения цели работы потребовалось решение следующих задач:

• выполнить анализ конструктивных особенностей переносных испытательных установок и их параметров для оптимизации размеров, массы и технических характеристик переносных средств;

• составить компьютерную модель переносной высоковольтной испытательной установки дм изучения переходных процессов в схеме выпрямителя с умножением напряжения и влияния кабельной линии на нагрузочную способность выпрямителя;

• составить компьютерную модель силовой трёхфазной кабельной линии, учитывающую частотно-зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведугцих частей кабеля для изучения переходных процессов при пробоях изоляции «жила - жила», «жила - оболочка». Определить влияние схемы испытания и элементов заземления на форму и период свободных колебаний волновых процессов в кабельной линии при высоковольтном диагностировании;

• составить компьютерную модель технологической системы «высоковольтная установка - силовая кабельная линия» для изучения переходных процессов в кабельной линии и установке до пробоя изоляции, в момент пробоя и после пробоя изоляции во время высоковольтного диагностирования;

• провести численный эксперимент и оценить влияние отдельных элементов совместной модели системы на переходные процессы в кабельной линии и испытательной установке при пробое ослабленной изоляции во время высоковольтных испытаний, для оптимального выбора параметров высоковольтного блока аппарата, защитного сопротивления установки и схемы проведения испытания;

• усовершенствование и экспериментальная проверка технических средств для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий и определения зоны повреждения дистанционным способом.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались методы математического и физического моделирования, методы анализа, аналитические и численные метода расчета с применением ЭВМ.

Достоверность и обоснованность результатов работы.

Разработанные в диссертационной работе теоретические положения реализованы в новых технических решениях и апробированы экспериментально на кабельной линии 6 кВ, а также путем математического моделирования. Результаты экспериментов не противоречат результатам, полученным ранее другими авторами, и дополняют их. Научная новизна работ соискателя:

1. Предложена методика расчёта внешних характеристик выпрямителя с умножением напряжения в любом диапазоне нагрузок, которая применима при любых сочетаниях параметров элементов схемы и формы питающего напряжения.

2. Разработана схема выпрямителя с умножением напряжения в составе переносных испытательных установок и определены параметры ее элементов,

обеспечивающие повышенную нагрузочную способность за счёт включения катушки индуктивности, настроенной в резонанс с конденсатором первого каскада.

3. Уточнены параметры компьютерной модели силовой трёхфазной кабельной линии. учитывающей частотно-зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведущих частей для изучения волновых процессов при повреждениях изоляции.

4. С целью уменьшения зоны повреждения кабельных линий методом колебательного разряда предложены оптимальные по критерию минимума искажения волнового процесса в повреждённой жиле кабеля схемы подключения и параметры элементов заземления здоровых жил.

5. Разработана компьютерная модель технологической системы «высоковольтная испытательная установка - силовая кабельная линия», моделирующая процессы системы в режимах диагностирования в реальном времени, позволяющая производить оптимизацию параметров испытательных установок и режимов диагностирования кабельных линий.

Практическая ценность результатов работы:

1. Сокращение времени определения зоны повреждения и уменьшение трудозатрат при высоковольтном испытании изоляции с использованием предложенной испытательной установки, на которую получен патент [6].

2. Возможность исключить процесс прожигания при диагностировании повреждений и сразу перейти к трассовым методам определения места повреждения.

3. Возможность работы переносной установки как от аккумуляторной батареи постоянного тока напряжением 12В, так и от источника напряжения 220В переменного тока промышленной частоты, что позволяет её использовать как самостоятельно, так и в составе автолабораторий.

4. Существенно сниженные масса и размеры установки позволяют использовать предложенную аппаратуру в многоэтажных распределительных устройствах и кабельном хозяйстве собственных нужд электрических станций, где проезд для автолабораторий затруднён или невозможен.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту;

1. Схемы и параметры выпрямителей с умножением напряжения с повышенной нагрузочной способностью для переносных испытательных установок.

2. Совершенствование дистанционного определения места повреждения изоляции, методом колебательного разряда в различных схемах высоковольтных испытаний.

3. Расчетная модель технологической системы «высоковольтная испытательная установка - силовая кабельная линия» при произвольном расположения места пробоя изоляции и различных видах повреждений в кабеле.

4. Структурная и принципиальная схемы высоковольтной установки с регистратором расстояния до места повреждения кабельной линии. Реализация результатов работы:

Переносные высоковольтные испытательные установки с регистратором

расстояния до места повреждения внедрены в эксплуатацию в филиал ОАО

«МРСК Юга» - «Ростовэнерго» ПО СВЭС, филиал ОАО «Донэнерго» - КМЭС.

Устройство защищено патентом РФ, отмечено дипломом победителя конкурса

«инновационных проектов молодых учёных, аспирантов и студентов»

министерства экономики, торговли, международных и внешнеэкономических связей Ростовской области 2009г., почётной грамотой лауреата конкурса научных работ студентов «Знания молодых ядерщиков - атомным станциям» Концерна Энергоатом (г.Обнинск 2009г.).

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 14020465 «Электрические станции» и магистров по направлению 551700 «Электроэнергетика» (в лабораторных занятиях и дипломном проектировании).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях «Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики» (г. Ростов-на-Дону, 2007-2008 г.г.), семинарах РАН «Кибернетика электрических систем» по тематике «Электроснабжение промышленных предприятий» и «Диагностика энергооборудования» (г. Новочеркасск, 2007-2010 г.г.), на научных сессиях ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2007-2010 г.г.), на итоговой конференции научных работ студентов «Знания молодых ядерщиков - атомным станциям» ОАО «Концерн энергоатом» ( г. Обнинск 2009 г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано: 5 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК, 6 публикаций в межвузовских сборниках и периодических изданиях. Получен один патент на полезную модель РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 56 наименований. Работа изложена на 180 страницах, в том числе: 160 с. основного текста, 84 рисунка, 5 с. списка использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана структура построения материала в диссертации. Отмечен вклад ученых и специалистов по тематике данной диссертации.

В первой главе рассмотрено современное состояние технических средств для высоковольтных испытаний и определение зоны повреждения силовых кабельных линий. Выполнен обзор и анализ методов высоковольтных испытаний силовых кабельных линий - испытание изоляции высоким напряжением постоянного тока по однополярной схеме, испытание изоляции высоким напряжением постоянного тока по двухполярной схеме, испытание изоляции на постоянно-переменном токе, испытание кабельных линий под нагрузкой, испытание методом пофазного замыкания. Основным является испытание высоким напряжением постоянного тока по однополярной схеме. Другие предложенные схемы испытаний создают собой ряд трудностей, связанных с возможностью выхода из строя работающего оборудования, значительной сложностью схем испытания, что может привести к возникновению ошибок во время испытания и существенно увеличить время производимых работ на кабельной линии.

Рассмотрены методы определения места повреждения в кабельных линиях, применимые для передвижных установок, характеристики высокочастотных методов определения мест повреждения. Основным методом дистанционного определения места повреждения в кабельной линии являются импульсные методы выявления зоны дефектной изоляции в сети. Снижение переходного

сопротивления в месте повреждения изоляции кабельной линии путем прожигания дефектной изоляции является наиболее длительной и трудоёмкой операцией. В связи с этим задача разработки эффективных аппаратов и устройств, позволяющих исключить процесс прожигания при определении места повреждения в кабельных линиях, представляет большой практический и теоретический интерес. Наиболее перспективным к применению в переносных испытательных установках является волновой метод колебательного разряда, так как применение других относительных методов определеши места повреждения зачастую невозможно либо малоэффективно.

Проведён обзор и анализ конструктивных и технических характеристик оборудования для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий. Выявлено, что недостатками применяемых установок являются: отсутствие встроенного регистратора расстояния до места повреждения изоляции кабельной линии, большие удельные затраты активных материалов (свыше Юг/В), что делает их громоздкими и значительно затрудняет передвижение установок. Рассмотрены принципиальные схемы испытательных установок с умножением напряжения.

Проведён обзор и анализ технических средств для отыскания мест повреждения силовых кабельных линий. Показано, что рефлектометры сильно разнятся между собой по техническим характеристикам и обладают низким уровнем зондирующего сигнала, что требует использования дополнительных высоковольтных приставок и операции прожигания, а это значительно растягивает проводимый комплекс работ. Показана необходимость разработки новых технических средств диагностирования кабельных линий.

Проведён анализ высоковольтных выпрямителей переносных испытательных установок, выполненных по схемам: параллельного удвоителя напряжения, последовательного удвоителя напряжения, утроигеля и учетверигеля напряжения, двухполуперподных выпрямителей с умножением напряжения. Произведена оценка области применений аналитических методов расчёта нагрузочных характеристик схем умножения напряжения.

Во второй главе исследованы нагрузочные способности высоковольтных выпрямителей с умножением напряжения в составе переносных испытательных установок.

Схемы высоковольтных выпрямителей реализованы на ЭВМ для анализа режимов работы. Представлена компьютерная модель (рис.1) переносного высоковольтного источника питания ИК-10Т с несимметричной схемой умножения напряжения в программном пакете ОгСАБ, где повышающий трансформатор представлен Г-образной схемой замещения. Приведён аналитический расчет параметров повышающего трансформатора в составе высоковольтной переносной установки. Параметры схемы замещения II, Ь, С определены экспериментально из опытов короткого замыкания и холостого хода. Полученные нагрузочные характеристики, сопоставлены с реальными нагрузочными характеристиками ИК-1 ОТ (рис.2).

Погрешность моделирования не превысила 8,5%. Модель хорошо отображает реальные процессы в действующей установке и предоставляет возможность использовать данный инструмент для дальнейшего изучения характеристик схем высоковольтных выпрямителей с целью оптимизации.

и

Я! Су

Су

Су

Су

(К) V 77?

-г:

470р

Ь

Ом

См

470р

□V

□V

Су

470р

и 71 V. 71 II 71 и

Ру

Оу Су

47Ор

Ом

Ом

Су

470р

470р

470р

Ом

47°Р у

Ип

Рис.1. Компьютерная модель высоковольтного источника с несимметричной схемой умножения напряжения: V - источник напряжения прямоугольной формы частотой 10 кГц и амплитудой 1700В, Ип - изменяющаяся нагрузка от 2.55МОм -102 МОм, Ш, 0,1Л - параметры трансформатора, Су = 470 пФ - ёмкости в каскадах выпрямителя, Бу - диоды в каскадах выпрямителя.

кВ и

7» V"

Рис.2. Нагрузочные характеристики:

а) установка ИК-0Т;

б) расчетная модель

ЭВМ

О 0,5 1 1,5 2 2,5

Проведён анализ нагрузочных характеристик (рис.4) высоковольтных выпрямителей выполненных по двухполупериодной несимметричной (рис.1) и симметричной схемам умножения (рис.3) при разных формах питающего напряжения, с равномерным распределением ёмкости конденсаторов по каскадам (характеристики рис.4,а), с ёмкостью входного конденсатора, увеличенной вдвое (рис.4,б), с ёмкостью входного конденсатора, увеличенной на порядок (рис.4,в), использование на входе выпрямителя катушки индуктивности Ь (рис.4,г) (при равномерном распределении ёмкости конденсаторов по каскадам выпрямителя). Рассмотрен режим с включением диода параллельно входному конденсатору в первом каскаде.

И Ж СУ СУ СУ СУ

470р 470р 470р 470р

1'нс.З.Компьютерная модель высоковольтного источника с симметричной схемой умножения напряжения

Исследование этих схем требует совместного решения многих (по числу контуров) нелинейных дифференциальных уравнений и возможно формализованное решение на базе ОгСАЭ. Оценивая влияние параметров элементов схемы и формы питающего напряжения на нагрузочную характеристику двухполупериодной несимметричной схемы выпрямителя установлено, что при

увеличении ёмкости входного конденсатора наблюдается незначительный подъём характеристики при синусоидальной форме питающего напряжения. Нагрузочная характеристика выпрямителя заметнее увеличивается при включении катушки индуктивности настроенной в резонанс с входным конденсатором первого каскада. Аналогичный и наиболее существенный эффект, повышение нагрузочной способности на 35%, даёт изменение формы питающего напряжения с синусоидальной на прямоугольную. При выборе схемы выпрямителя с умножением напряжения в составе переносной установки для высоковольтных испытаний изоляции электрооборудования следует отдавать предпочтение двухполупериодной симметричной схеме с индуктивностью на входе, настроенной в резонанс, с равномерным распределением ёмкости по каскадам и с прямоугольной формой питающего напряжения. В таком исполнении нагрузочная характеристика симметричной схемы идёт существенно выше нагрузочной характеристики несимметричной схемы (рис.4,г).

Рис.4. Нагрузочные характеристики симметричной (I) и несимметричной (.2) схем выпрямителей с умножением напряжения при изменении параметров

элементов схемы (а-г)

Включение в первый каскад параллельно первому конденсатору диода, влечет за собой увеличение тока на выходе установки в режиме дожигания, что также нужно учитывать при проектировании переносных испытательных установок.

Выполнена сравнительная оценка применяемых аналитических методов расчёта нагрузочных характеристик высоковольтных выпрямителей с использованием полученных результатов на компьютерной модели. Сравнение показало, что сложные аналитические методы расчёта соответствуют только режимам умножения близким к холостому ходу, а компьютерное моделирование хорошо отражает процессы во всём диапазоне изменения нагрузочных характеристик.

Структурная схема технических решений для повышения нагрузочной способности выпрямительных схем умножения напряжения в составе переносных высоковольтных испытательных установок показана на рис.5, где Н - ординаты нагрузочной характеристики.

Рис.5. Структурная схема технических решений для повышения нагрузочной способности

В третьей главе выполнено моделирование силовой трёхфазной кабельной линии для анааиза схем высоковольтного диагностирования мест повреждения и волновых процессов при пробоях «жила-жила», «жила-оболочка». Модель кабельной линии (рис.6) выполнена для конкретного отрезка длины силового кабеля марки СБ-25 и носит распределённый характер, учитывает взаимоиндукцию между жилами и оболочкой. Следует отметить, что все элементы кабеля линейные (включая и броню кабеля, которая работает в области соответствующей начальной магнитной проницаемости).

а) схема замещения кабельной линии по блокам 10

б) схема замещения трёх метров длины силовой трёхфазной кабельной линии в

одном блоке

Рис. 6. Компьютерная модель силовой трёхфазной кабельной линии с кабелем

марки СБ-25

У силовых кабелей выражена частотная зависимость параметров вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, учитываемые в модели параметрами R13. R14, R15: R17, R18, R25; R27. R28. R29; ТХ1- ТХ18 (схема рис.6,6).

Компьютерная модель силовой трёхфазной кабельной линии с кабелем марки СБ-25, рабочим напряжением 6 кВ и общей длиной 99 метров представляет собой 33 последовательно включённых блока НВ21.. .НВ233 рис.6,а (ключ U1 имитирует пробой изоляции, в физической модели пробой имитирует разрядник), в каждом из которых заложена схема замещения трех метров длины силовой кабельной линии, дальнейшее уменьшение длины участка не приводит к изменению результатов рис. 6,6.

Результаты моделирования экспериментальными осциллограммами, линии длинной 99м, даны на рис.7.

На рис.7 приведены осциллограммы напряжения в нач&пе кабельной линии при пробоях изоляции: а) «жила-оболочка» в середине кабельной линии (свободные жилы в начале кабеля и оболочка заземлены, на конце разземлены), б) «жила-оболочка» в конце той же кабельной линии (свободные жилы и оболочка заземлены в начале кабельной линии, на конце разземлены). в) «жила - жила» в середине кабельной линии (свободные жилы и оболочка в начале кабеля заземлены, в конце линии разземлены). Установлено, что при использовании

11

волновых процессов и их сравнение с полученными на силовой кабельной

метода колебательного разряда необходимо учитывать схему включения кабеля, а для правильного ОМГ1 при пробоях «жила - жила» необходимо учитывать режимы заземления жил и оболочки по концам кабеля, поскольку волновые процессы происходят во всех жилах (каналах) и влияют на результат измерения.

а)

|ХГ

4 :

Л. X - [ У - \ V

\ \ * \ Г V.

... 'У/ V -

: «Г

: :

: |

X

1 I -

<! 2 4 6.8

" ■ : . :

рШ 0Ш ^ШЩШщ»

б)

»V О! : :: ■

- -ч- -4 X -Г

\ ■

- ■А - Л1 -- - --

- - Л - ;

- \ \ У? К/ V \

» - - - — — -

-

'V - * 'Л-л

____1 ¿+ЛЛв^шшИВшШмшМШЁ

В)

Рис.7. Расчётные (слева) и экспериментальные (справа, осциллограф С8-17) осциллограммы напряжений в начале кабельной линии при пробоях изоляции: а) «жила-оболочка» в середине кабельной линии, б) «жила-оболочка» в конце кабельной линии, в) «жила-жила» в середине кабельной

линии

Время периода переходного процесса на рис.7,а,б, позволяет судить о расстоянии от начала кабельной линии до места пробоя. Период свободных колебаний в линии, замкнутой с одной стороны и разомкнутой с другой, равен четырёхкратному времени пробега электромагнитной волны: Т = 4 ■ 1„р. Расстояние /

можно определить, зная время первого периода Тх и скорость волны равной ь=160-165 м/мкс:

С=ЩУЬ-(ТХ/4)-V

Подставив значения времени из моделируемой линии 'Гх-1.24 мкс (рис.4,а) и скорости и=160 м/мкс в формулу, получим искомое расстояние до места повреждения равное 49.5 м, что соответствует экспериментальному. Это позволяет сделать вывод о том, что компьютерная модель хорошо отображает переходные процессы, происходящие в кабельной линии, и даёт возможность изучения возникающих в линии волновых процессов при заплывающих пробоях, а программный комплекс ОгСа<1 как инструмент моделирования можно применять для создания других известных типоразмеров кабельных линий с целью изучения переходных процессов и совершенствования методов ОМП при различных видах повреждений изоляции. Временные интервалы в сравниваемых осциллограммах совпадают с погрешностью не превышающей 2%, обусловленной изменением скорости волны и шага дискретизации. Расхождение в форме волнового процесса объясняется отсутствием в компьютерной модели соединительных проводов и наводимых полей на реальном отрезке длины кабельной линии.

Полученные осциллограммы на входе кабельной линии (рис.7) относительно нулевого потенциала Щх.г) упрощенно получены аналитически для оценки времени первого периода волны напряжения Тх с целью определения зоны повреждения:

и(х^и,/п-Х7=х{—со!((2в^и2ук^1-х)П))хов((25+1/2Ы1о ■ Со) к!),

где I - это полное расстояние пробега электромагнитной волны, учитывающее режимы заземления свободных жил (с высоковольтными резисторами в свободных жилах и без), х - координата места пробоя Ьо, Со - параметры кабельной линии, 5 -количество слагаемых.

Выполнен анализ переходных процессов при пробоях изоляции в кабельных линиях различных марок, длины, сечения при высоковольтных испытаниях. Из полученных осциллограмм следует, что волновой процесс зависит в первую очередь от длины кабеля, а также от сечения жилы и материала проводника. Метод колебательного разряда применим для всех кабельных линий с достаточно большим диапазоном длин и сечений при условии, если активное сопротивление жилы не превышает волновое сопротивление кабеля. Проведено исследование метода колебательного разряда в части влияния схемы подключения, элемаггов заземления (резистора, индуктивности, диода, конденсатора) на период свободных колебаний в кабельной линии в режимах: обе свободные жилы заземлены в начале линии через одно согласующее сопротивление, оболочка заземлена, в конце жилы разземлены; каждая свободная жила заземлена в начале линии через согласующее сопротивление, оболочка заземлена, в конце жилы разземлены; обе свободные жилы заземлены в начале линии через один диод, оболочка заземлена, в конце жилы разземлены; каждая свободная жила заземлена в начале линии через диод, оболочка заземлена, в конце жилы разземлены; обе свободные жилы заземлены в начале линии через одну катушку индуктивности, оболочка заземлена, в конце жилы разземлены; каждая свободная жила заземлена в начале линии через катушки индуктивности, оболочка заземлена, в конце жилы разземлены; заземление в начале линии свободных жил через конденсаторы.

Установлено, что во избежание грубых ошибок в определении зоны повреждения силовых кабельных линий методом колебательного разряда, заземлять жилы следует через высоковольтные резисторы, сопротивление которых на порядок превышает волновое сопротивление кабельной линии. Это отдельный класс резисторов, который характеризуется двумя основными параметрами: напряжением резистора и величиной сопротивления. Волновое сопротивление кабельных линий данного класса ориентировочно составляет 30 Ом, следовательно, сопротивления дополнительных резисторов составит не меньше 300 Ом. Увеличение сопротивления не приводит к существенному изменению волнового процесса в кабельной линии, а ведёт лишь только к более длительному разряду ёмкости кабельной линии. Напряжение согласующих резисторов должно быть не меньше испытательного напряжения, так как в случае пробоя изоляции «жила-жила» волна напряжения будет отражаться от согласующего резистора, подключённого к повреждённой жиле. Мощность резистора не имеет особого значения, так как приложенное импульсное напряжение кратковременно, длится микросекунды и не успевает разрушить резистор.

Из анализа осциллограмм следует, что заземлять свободные жилы при замыкании «жила - жила» через одно добавочное сопротивление или через диоды нежелательно, так как волновой процесс искажается, и место повреждения может быть определено ошибочно. Заземлять свободные жилы через индуктивность и конденсаторы так же не желательно, это приведёт к изменению потенциала на свободных жилах. Результаты экспериментально проверены в лаборатории высоких напряжений ЮРГТУ (НПИ).

В четвёртой главе проведено исследование переходных процессов в системе «высоковольтная испытательная установка - силовая кабельная линия» на основе комплексной модели. Использована компьютерная модель усовершенствованной переносной испытательной установки.

Комплексная компьютерная модель этой системы (рис.8), образована путём совмещения компьютерной модели силовой трёхфазной кабельной линии и высоковольтной переносной испытательной установки в программном комплексе ОгСАО. Данная комплексная модель позволила получить оценку взаимного влияния элементов системы, при пробое изоляции во время её испытания высоким напряжением постоянного тока отрицательной полярности. Экспериментально такую задачу решить трудно, а использование модели позволило ответить на практические вопросы выбора полупроводниковых элементов выпрямителя в составе высоковольтного блока, защитного сопротивления установки и предложить технические решения, увеличившие работоспособность аппарата.

Рис.8. Структурная схема комплексной модели «высоковольтная испытательная установка - силовая трёхфазная кабельная линия»

В предложенной компьютерной модели напряжение прямоугольной формы с амплитудой ЮкВ подается на четырёхкаскадную симметричную схему умножения напряжения высоковольтной установки, откуда восьмикратное выпрямленное напряжение подается на жилу силовой кабельной линии через защитный дроссель,

плавно заряжая ёмкость кабельной линии до испытательного напряжения. На рис. 9 представлен результат моделирования, на котором показана последовательная картина испытания изоляции кабельной линии высоким напряжением отрицательной полярности. Осциллограмма (1) показывает процесс разряда ёмкости кабельной линии до нуля в результате пробоя ослабленной изоляции, осциллограмма (2) показывает снижение напряжения на выходе установки после пробоя и стабилизацию выходного напряжения выпрямителя высоковольтной установки (3) в режиме дожигания повреждённой изоляции.

Представлены результаты численного эксперимента при переходных процессах, происходящих в кабельной линии и подключённой к ней испытательной установке при различных видах повреждений в кабельной линии вследствие пробоя ослабленной изоляции. Установлено, что значения токов, протекающих через выпрямительные диоды в каскадах выпрямителя установки лри пробое в кабеле, равны токам, протекающим через защитный дроссель.

Рис. 9. Результат моделирования комплексной модели «испытательная установка - кабельная линия»

При изменении индуктивности дросселя характер процесса сохраняется, но изменяются численные соотношения. Таким образом, надёжность установки зависит от правильности выбора параметров защитного дросселя. Получены зависимости тока в диодах от меняющихся параметров комплексной модели: напряжения пробоя (¡тах\^=Яипр), _Ьзащ=сош1, 1пр=соп81), расстояния до места пробоя (¿гоатегЩир), при и„р=соп81 и Ьзащ^сош!) и защитного дросселя (¡тахуа^Ьдцц). при и„р=соп51:, 1„р=соп81). Установлено, что при выборе индуктивности дросселя необходимо учитывать номинальное рабочее напряжение кабеля, его максимальное испытательное напряжение и значение длительно допустимого тока, протекающего через выпрямительные диоды каскадов выпрямителя. Экспериментально установлено, что в составе переносной испытательной установки приемлем ограничительный дроссель равный 1Гн. позволяющий повысить надёжность установки в режимах диагностирования.

В пятой главе рассмотрены пути совершенствования технических средств определения зоны повреждения трёхфазной силовой кабельной линии при высоковольтных испытаниях.

Определены основные требования к переносному высоковольтному диагностирующему устройству: возможность подключения как к сети напряжения

220В переменного тока промышленной, частоты 50 Гц, так и к автономному источнику питания напряжением 12В постоянного тока на время диагностирования. Высоковольтная часть имеет регулируемое напряжение на выходе установки от нуля до 70 кВ выпрямленного напряжения постоянного тока отрицательной полярности с контролем токов утечки. Измерительная часть установки при пробое изоляции в кабеле должна фиксировать осциллограмму в начале кабельной линии, отображать её на ЖК экране, с последующим хранением, обработкой, анализом и возможностью вывода её на компьютер. Массогабаритные показатели устройства должны быть таковы, чтобы обеспечивать возможность его мобильного (переносного) применения одним оператором в процессе высоковольтного испытания изоляции кабельной линии. Работа с прибором не должна требовать от оператора знания большого количества операций, сложной теоретической или практической информации связанной с данным видом работ (простота управления, однозначность интерпретации получаемой диагностической информации). Устройство должно соответствовать всем нормам электробезопасности.

ИР

ТП

ВВ

БП "Л(В),(С^ |В,(С),(А)!

БВР — РЗ

ЦИР БОИ

к жилам К Л

С,(А),(В)

Рис.10. Структурная схема испытательного аппарата

Рис.11. Рефлектограмма волнового процесса при пробое повреждённой изоляции в кабельной линии

Основанное на принятых алгоритмах диагностирования высоковольтное переносное устройство имеет следующие основные блоки (рис. 10). Высоковольтная часть: инвертор регулируемый (ИР), трансформатор повышающий (ТП), выпрямитель высоковольтный (ВВ). сопротивление защитное (СЗ).

Измерительная часть: аналого-цифровой преобразователь (АЦЩ, блок обработки информации (БОИ), блок визуализации рефлектограммы (БВР) отображает волновой процесс в кабеле (рис.11) при пробое изоляции во время испытания линии на ЖК-дисплее, (ЦИР) цифровой индикатор расстояния. Совместную работу обеспечивает блок присоединения (БП), состоящий из делителя напряжения (11Л1 , Ядг) и согласующих резисторов (Я^ Защиту установки при пробоях изоляции обеспечивает защита от перегрузки (РЗ), (БКИП) блок контроля измеряемых параметров.

Приведены технические характеристики разработанной аппаратуры: схемы, параметры, конструкция.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в настоящей работе, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Разработана модель и методика расчёта схем выпрямителей с умножением напряжения, обладающих повышенной нагрузочной способностью.

2. Оценены факторы, влияющие на повышение нагрузочной способности выпрямителей с умножением напряжения: а) неравномерное распределение ёмкости по каскадам выпрямителя; б) значение индуктивности включённой последовательно с входным конденсатором; в) изменение формы питающего напряжения; г) симметричная или несим.метричлая схема умножения.

3. Разработаны параметры компьютерной модели силовой трёхфазной кабельной линии, учитывающей частотно-зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведущих частей кабеля, которая показала совладение результатов с физической моделью при исследовании волновых процессов в режимах пробоя изоляции в кабельной линии.

4. Предложена компьютерная модель системы «высоковольтная испытательная установка - силовая кабельная линия», позволяющая получать в реальном времени процессы с момента начала высоковольтных испытаний (заряда ёмкости кабеля), до момента пробоя ослабленной изоляции и разряда ёмкости кабельной линий.

5. Обоснованы оптимальные параметры схем испытания силовых кабельных линий и элементов заземления по минимуму искажения волнового процесса в повреждённой жиле при отыскании зоны повреждения методом колебательного разряда.

6. Обоснован выбор ограничительного дросселя установки для защиты диодов выпрямителя при пробоях изоляции во время высоковольтного диагностирования силовой кабельной линии и определены параметры и конструкция высоковольтного блока в составе переносной испытательной установки с повышенной нагрузочной способностью

7. Предложено техническое решение, позволяющее исключить прожигание изоляции в процессе определения места повреждения и сразу перейти к трассовым методам поиска дефектной изоляции, в особенности для кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.

9. Разработана переносная испытательная установка с регистратором расстояшм до места повреждения, которая прошла натурные испытания в электрической сети 6-10 кВ и внедрена в эксплуатацию в электрических сетях ОАО «МРСК Юга» -«Ростовэнерго», ОАО «Донэнерго» и защищена патентом РФ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК, патенты

1. Юров A.A. Моделирование и экспериментальные исследования нагрузочной способности переносной установки для испытания изоляции электрооборудования повышенным напряжением отрицательной полярности [Текст]/ Юров A.A., Пирожник A.A.// Изв.вузов. Электромеханика. - 2007. - Спецвыпуск. - С. 35-36.

2. Юров A.A. Повышение нагрузочной способности переносных установок для высоковольтных испытаний изоляций электрооборудования в системах электроснабжения [Текст]/ Юров A.A., Пирожник A.A.// Изв.вузов. Электромеханика. - 2007. - Спецвыпуск. - С. 37-38.

3. Юров A.A. Компютерная модель трёхфазной силовой кабельной линии для дистанционного диагностирования места повреждения при высоковольтных испытаниях [Текст]/ Юров A.A. // Изв.вузов. Электромеханика. - 2008. -Спецвыпуск. - С. 37-39.

4. Юров A.A. Моделирование волновых процессов в трёхфазной силовой кабельной линии при заплывающем пробое [Текст]/ Юров A.A., Быкадоров В.Ф. // Изв.вузов. Электромеханика. - 2008. - Спецвыпуск. - С. 39-42.

5. Юров A.A. Определение эквивалентных параметров переносной испытательной установки для высоковольтных испытаний силовой кабельной линии [Текст]/ Юров A.A., Пирожник A.A. // Изв.вузов. Электромеханика. - 2008. - Спецвыпуск. -С. 34-36.

6. Пат. 78582 РФ, МПК G01R 31/08 Переносное устройство для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий с регистратором расстояния до места повреждения изоляции [Текст]/ Быкадоров В.Ф., Пирожник A.A., Юров A.A. -Опубл. 2008, Бюл,№ 33.

Публикации в других изданиях.

7. Юров A.A. Анализ нагрузочных характеристик выпрямителей с умножением напряжения в составе переносных установок для высоковольтных испытаний изоляции электрооборудования [Текст]/Юров A.A., Пирожник A.A.// Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: материалы VII Междунар. науч.-пракг. конф., г. Новочеркасск, 20 апр. 2007 г.: в 2чЛОж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. - 4.1. - С. 8-13.

8. Юров A.A. Моделирование процессов в выпрямителях с умножением напряжения переносных испытательных установок [Текст]// Юров A.A., Клочков C.B.// Студенческая научная весна - 2007: сб. науч. тр. аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ). 2007. -С. 178-179.

9. Юров A.A. Экспериментальные исследования волновых процессов в трехфазной силовой кабельной линии при высоковольтных испытаниях [Текст]/ Юров A.A., Пирожник A.A.// Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики: сб. тр. науч.-практ. конф., г. Ростов-на-Дону, 13-18 февр. 2008 г./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Ростов н/Д : ВЦ "Вертолэкспо". - С. 30-32.

10. Юров A.A. Экспериментальная оценка нагрузочной характеристики переносной испытательной установки высокого напряжения [Текст]/Юров A.A., Пирожник A.A.// Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики: сб. тр. науч.-практ. конф., г. Ростов-на-Дону, 13-18 февр. 2008 г./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Ростов н/Д : ВЦ "Вертолэкспо'". - С. 32-35.

11. Юров A.A. Анализ колебательного разряда в трехфазной силовой кабельной линии при электрическом пробое изоляции[Текст]/Юров A.A., Иванков А.Ю..// Студенческая научная весна - 2008: материалы Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЛИК, 2008. С.281-282.

12.Дежков A.A. Разработка переносной испытательной установки с регистратором расстояния для высоковольтного зондирования дефектных опорных изоляторов комплектных генераторных токопроводов АЭС при ремонтных работах [Текст]/ Дежков A.A., Скляров A.A., Кротов B.C., Пирожник A.A., Юров A.A.// Знания молодых ядерщиков - атомным станциям: тез. докл. Итог. конф. науч.работ студентов ОАО «Концерн энергоатом», г. Обнинск, 23-25 сентября 2009г./Обнин.гос.техн.ун-т.атом.энерг.-Обнинск:ИАЭТ,2009.- С. 18-20.

Личный вклад соискателя в работах, опубликованные в соавторстве, состоит в [1,2,7] - разработке и анализе выпрямительных схем в составе переносных испытательных установок, [3,4] - в уточнении параметров компьютерной модели силовой трёхфазной кабельной линии, [5] - расчёт схем замещения повышающего трансформатора, [6] - в разработке структурной схемы универсального переносного испытательного устройства с регистратором расстояния до места повреждения, [8] - в оценке нагрузочной характеристики выпрямителей при высоковольтных испытаниях, [9] - в оценке схем высоковольтных испытаний, с учётом заземления свободных жил, [10] - в разработке выпрямительных схем с наивысшей нагрузочной характеристикой, [11] - в оценке метода колебательного разряда для дистанционного метода ОМП, [12] -в разработке схем универсальной установки для высоковольтного диагностирования дефектных изоляторов комплектных генераторных токопроводов АЭС.

Юров Александр Александрович

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИИ 6-10 кВ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕТОДОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА

Автореферат

Подписано в печать 15.10.2010 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л.1,0. Уч.-изд. л. 1,38. Тираж 100 экз. Заказ 48-976 Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 тел., факс (8635) 25-53-03

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИСПЫТАНИЙ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЗОНЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

1.1 Методы высоковольтных испытаний силовых кабельных линий.

1.2 Методы определения мест повреждения в кабельных линиях, применимые для передвижных установок.

1.3 Технические средства для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий и их структурное исполнение.

1.4 Технические средства по обнаружению мест повреждения.

1.5 Выбор и расчёт схем умножения напряжения для высоковольтных испытательных установок.

1.6 Выводы.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ

ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С УМНОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

2.1 Компьютерное моделирование режимов работы высоковольтных выпрямителей.

2.2 Оценка области применения аналитических расчётов для схем выпрямителей с умножением напряжения.

2.3 Анализ нагрузочных характеристик высоковольтных выпрямителей, выполненных по двухполупериодной несимметричной схеме.

2.4 Анализ нагрузочных характеристик высоковольтных выпрямителей, выполненных по двухполупериодной симметричной схеме.

2.5 Выводы.

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ ДЛЯ АНАЛИЗА СХЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ

3.1 Компьютерная модель трёхфазной силовой кабельной линии.

3.2 Моделирование и анализ переходных процессов в кабельных линиях при диагностировании мест повреждения.

3.3 Совершенствование метода колебательного разряда при определении зоны повреждения изоляции в силовой кабельной линии.

3.4 Выводы.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В

КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА - КАБЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ»

4.1 Компьютерная модель переносной испытательной установки.

4.2 Комплексная компьютерная модель системы «кабельная линия — испытательная установка».

4.3 Численный эксперимент и анализ системы.

4.4 Выводы.

Глава 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОНЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ ТРЁХФАЗНОЙ СИЛОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

5.1 Основные направления совершенствования технических средств.

5.2 Схемные решения по переносным испытательным установкам

5.3 Схемные решения по определению по определению зоны повреждения и выбор методики испытания.

5.4 Технические характеристики разработанной аппаратуры.

5.5 Выводы.

Кабельные линии 6-10 кВ получили широкое применение в распределительных сетях энергосистем, в городах и на промышленных предприятиях. Повреждаемость кабельных линий в 2—3 раза выше, чем у других элементов сети электроснабжения, что вызывает необходимость периодического диагностирования и отыскания до 500 тыс. повреждений ежегодно. Анализ эксплуатационных свойств кабельных сетей показывает, что более 90% отказов в работе приходятся на кабельные линии, проложенные в земле. Время поиска таких повреждений составляет от нескольких часов до 5 суток и является наиболее сложной и дорогой операцией, при этом до 50% затрат на ликвидацию повреждения приходится на определение места повреждения кабельной линии на трассе.

Повышение эффективности решения данной задачи достигается за счёт применения комплекса диагностических средств и методов на базе специализированных кабельных автолабораторий, парк которых в настоящее время составляет в России около 10 тысяч единиц. Учитывая значительный рост среднего срока эксплуатации электрических коммуникаций в жилищно-коммунальном хозяйстве, составляющий в настоящее время от 20 до 40 лет, можно прогнозировать увеличение количества лабораторий в эксплуатации.

Большое многообразие видов повреждений и параметров повреждённых кабельных линий привело к созданию и применению множеств диагностических устройств и методов их диагностики. Значительно и число производителей диагностических лабораторий. Существенны также изменения свойств и параметров современных кабельных изделий. Отдельной задачей в указанных условиях становится проверка состояния изоляции силовых кабельных линий переносными испытательными установками, так как не всегда предоставляется возможность испытания изоляции кабеля автолабораторией особенно в условиях многоэтажных распределительных устройств и собственных нужд электрических станций.

Экономически оправданным подходом в решении указанной задачи может служить применение комбинированных переносных испытательных установок с регистратором расстояния до места повреждения, обеспечивающих сокращение времени и места на производимый комплекс работ, а так же возможность исключения прожигания изоляции в процессе определении места повреждения.

Данная работа посвящена развитию и совершенствованию методов диагностирования кабельных линий методом колебательного разряда при различных повреждениях типа «жила - жила», «жила - оболочка», а также созданию современной переносной испытательной установки силовых кабельных линий рабочим напряжением 6 — 10 кВ высоким напряжением постоянного тока отрицательной полярности с регистратором расстояния до места повреждения. Выполнен комплекс работ по моделированию и определению параметров переносных высоковольтных установок и кабельных линий, совершенствованию методики их расчёта.

При выполнении работы использовались методы математического моделирования, аналитические и численные методы расчёта с применением ЭВМ, теоретические основы и результаты экспериментальных исследований в области определения параметров и диагностирования воздушных и кабельных линий, испытательной аппаратуры полученные ведущими учёными и специалистами. Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением расчётных значений исследуемых параметров силовых трёхфазных кабелей 6-10 кВ с данными натурных экспериментов.

Исследования по теме диссертации выполнялись по плану развития научного направления ЮРГТУ(НПИ) "Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем", комплексным научно-техническим программам Северо-Кавказского научного центра высшей школы

Улучшение экологии и повышение надёжности энергетики Ростовской области" и Министерства образования РФ "Научные исследования высшей 6 школы по приоритетным направлениям науки и техники", подпрограмма 209 "Инновация". Актуальность работы подтверждается её соответствием приоритетным направлением развития науки и техники, утверждённым Председателем Правительства РФ 21.06.1996 г.

В основу разработки математических моделей силовых кабельных линий 6-10 кВ и испытательной аппаратуры положен системный подход: определение удельных электромагнитных параметров кабелей в режимах диагностики и физических процессов, протекающих во время испытания в самой высоковольтной установке, подключённой к диагностированной кабельной линии, на основе анализа комбинированной модели «кабельная линия — испытательная установка». Определение видов необходимых моделей и их конструктивных параметров. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих научно-технических задач:

- выполнить анализ конструктивных особенностей диагностических кабельных установок и их параметров для оптимизации размеров, массы и технических характеристик переносных средств диагностирования мест повреждения;

- составить компьютерную модель переносной высоковольтной испытательной установки для изучения переходных процессов в режимах высоковольтного диагностировании и влияние элементов схемы выпрямителя на нагрузочную способность установки.

- составить компьютерную модель силовой трёхфазной кабельной линии, учитывающую частотно-зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведущих частей кабеля для изучения переходных процессов при пробоях изоляции «жила — жила», «жила - оболочка». Определить влияние схемы испытания и элементов заземления на форму и период свободных затуханий волновых процессов в кабельной линии при высоковольтном диагностировании;

- составить компьютерную модель технологической системы высоковольтная установка - силовая' кабельная линия» для изучения 7 переходных процессов в кабельной линии и установке до пробоя изоляции, в момент пробоя и после пробоя изоляции во время высоковольтного диагностирования

- провести численный эксперимент и оценить влияние отдельных элементов совместной модели на переходные процессы в кабеле и установке при пробое ослабленной изоляции во время высоковольтных испытаний, с целью оптимального выбора параметров высоковольтного блока источника, защитного сопротивления установки и схемы проведения испытания, с целью избежания грубых ошибок в определении зоны повреждения.

- усовершенствование и экспериментальная проверка технических средств, для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий, и метода определения места повреждения дистанционным способом.

Основные теоретические результаты и научная новизна диссертационной работы:

1. Предложена методика расчёта внешних характеристик выпрямителя с умножением напряжения в любом диапазоне нагрузок, которая применима при любых сочетаниях параметров элементов схемы и формы питающего напряжения.

2. Разработана схема выпрямителя с умножением напряжения в составе переносных испытательных установок и определены параметры её элементов, обеспечивающие повышенную нагрузочную способность за счёт включения катушки индуктивности, настроенной в резонанс с конденсатором первого каскада.

3. Уточнены параметры компьютерной модели силовой трёхфазной кабельной линии, учитывающей частотно-зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведущих частей для изучения волновых процессов при повреждениях изоляции.

4. С целью уменьшения зоны повреждения кабельных линий методом колебательного разряда предложены оптимальные по критерию минимума искажения волнового процесса в повреждённой жиле кабеля схемы подключения и параметры элементов заземления здоровых жил.

5. Разработана компьютерная модель технологической системы «высоковольтная испытательная установка — силовая кабельная линия», моделирующая процессы системы в режимах диагностирования в реальном времени, позволяющая производить оптимизацию параметров испытательных установок и режимов диагностирования кабельных линий Практическая ценность результатов работы:

1. Сокращение времени определения зоны повреждения и уменьшение трудозатрат при высоковольтном испытании изоляции с использованием предложенной испытательной установки, на которую получен патент [6].

2. Возможность исключить процесс прожигания при диагностировании повреждений и сразу перейти к трассовым методам определения места повреждения.

3. Возможность работы переносной установки как от аккумуляторной батареи постоянного тока напряжением 12В, так и от источника напряжения 220В переменного тока промышленной частоты, что позволяет её использовать как самостоятельно, так и в составе автолабораторий.

4. Существенно сниженные масса и размеры установки позволяют использовать предложенную аппаратуру в многоэтажных распределительных устройствах и кабельном хозяйстве собственных нужд электрических станций, где проезд для автолабораторий затруднён или невозможен.

Работа включает введение, пять глав, заключение, список литературы и приложения.

В первой главе рассмотрено современное состояние технических средств для высоковольтных испытаний и диагностирования зоны повреждения 9 силовых кабельных линий, выполнен обзор и анализ методов высоковольтных испытаний силовых кабельных линий. Дана оценка возможности применения полученных данных к переносным испытательным аппаратам. Так же рассмотрены методы определения мест повреждения в кабельных линиях, применимые для передвижных установок.

Проведён обзор и анализ конструктивных особенностей диагностических лабораторий и средства по обнаружению мест повреждения, состава и параметров оборудования. Показана общность и различие структуры большинства из них, сделан прогноз и определён примерный состав их оборудования. Проведён анализ применяемых технических средств.

Рассмотрено перспективное направление развития и совершенствования технических средств для высоковольтных испытаний изоляции силовых кабельных линий.

Во второй главе произведён анализ схем и режимов работы высоковольтных выпрямителей в составе переносных испытательных установок. Выполнен анализ схем высоковольтных выпрямителей переносных испытательных установок. Вычислительным методом получены принципы построения выпрямительных схем на ЭВМ для анализа режимов работы. Приведён аналитический расчет параметров повышающего трансформатора в составе высоковольтной' переносной установки и нагрузочных характеристик выпрямителя. При помощи компьютерного моделирования проанализированы нагрузочные характеристики высоковольтных выпрямителей, выполненных по двухполупериодной несимметричной и симметричной схемам. Обоснован выбор схемы выпрямления с повышенной нагрузочной способностью испытательных аппаратов и её элементов.

В третьей главе исследованы переходные процессы в силовых трехфазных кабельных линиях при высоковольтных испытаниях. Приведены общие сведения и параметры схем замещения силовой трёхфазной кабельной линии, лежащих в основе моделирования. Обоснован выбор

10 стандартного пакета программного комплекса и описана компьютерная модель трёхфазной силовой кабельной линии. Выполнен анализ переходных процессов во время коротких замыканий в кабельных линиях при высоковольтных испытаниях. Проведено совершенствование метода колебательного разряда при определении зоны повреждения изоляции в силовой кабельной линии высокого напряжения. Обосновано применение схем высоковольтных испытаний, позволяющих исключить ошибки при определении места повреждения ослабленной изоляции и параметров элементов заземления по минимуму волнового процесса.

В четвёртой главе проведено исследование переходных процессов в системе «испытательная установка — кабельная линия» на основе комплексной модели. Разработана компьютерная модель переносной испытательной установки с повышенной нагрузочной характеристикой. Выполнена комплексная компьютерная модель системы «силовая кабельная линия - испытательная установка». Представлены результаты численного эксперимента и анализа режимов работы модели. Исследованы переходные процессы, происходящие в кабельной линии и подключённой к ней испытательной установке при высоковольтных испытаниях изоляции кабельной линии. Обоснован выбор ограничительного сопротивления высоковольтной установки, с целью защиты диодов в схеме выпрямителя при высоковольтном пробое изоляции кабеля.

В пятой главе усовершенствованы технические средства определения зоны повреждения трёхфазной силовой кабельной линии при высоковольтных испытаниях.

Определены основные требования к переносному высоковольтному диагностирующему устройству: высоковольтная часть установки позволяет подключение аппарата как к сети напряжения 220В промышленной частоты

50 Гц, так и к автономному источнику питания напряжением 12В постоянного тока, устройство имеет регулируемое напряжение на выходе установки от нуля до 70 кВ выпрямленного напряжения постоянного тока, И необходимое для пробоя ослабленной изоляции в силовой кабельной линии. Измерительная часть установки при пробое в кабеле должна фиксировать электромагнитную волну в начале линии, выводить её изображение на ЖК экран, с последующим хранением, обработкой, анализом и копированием на компьютер. Массогабаритные показатели устройства должны быть таковы, чтобы обеспечивать возможность его мобильного (переносного) применения одним оператором в процессе диагностирования изоляции кабельной линии. Работа с прибором не должна требовать от оператора знания большого количества сложной теоретической или практической информации связанной с данным видом работ (простота управления, однозначность интерпретации получаемой диагностической информации). Устройство должно соответствовать всем нормам электробезопасности.

Приведены технические характеристики разработанной аппаратуры: схемы, параметры, конструкция.

В заключении сформулированы основные научные и технические результаты диссертационной работы.

В приложение приведены зависимости удельных электромагнитных параметров от частоты для основных типов силовых кабелей.

В работе обобщены результаты исследований и разработок, выполненных лично и при непосредственном участии автора, на кафедре "Электрические станции" Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

5.5 Выводы

1. На основе результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработано устройство, позволяющее дистанционно определять место дефектной изоляции в силовых кабельных линях методом колебательного разряда, с выводом осциллограммы напряжения на ЖК экран панели управления. Массогабаритные показатели устройства должны обеспечивать возможность его переноски к диагностируемой кабельной линии одним человеком. Работа с установкой не должна требовать от оператора знания большого количества сложной теоретической или практической информации связанной с данным видом работ. Устройство должно иметь автономное питание на время диагностирования изоляции силовой кабельной линии.

2. Разработано переносное высоковольтное устройство для испытания изоляции силовых кабельных линий, позволяющее диагностировать изоляцию повышенным напряжением отрицательной полярности постоянного тока, с контролем тока утечки и регулируемым напряжением на выходе установки. Опытный образец передан в эксплуатацию. Переносная испытательная установка с регистратором расстояния места повреждения защищена патентом РФ.

3. Предложена новая конструкция высоковольтного блока, совмещённая с ёмкостно-резистивным делителем напряжения для фиксации волновых процессов, активным делителям напряжения для контроля выходных измерительных параметров и дросселем для защиты диодов выпрямителя при пробоях во время испытания. Предложена и реализована схема регистратора расстояния до ослабленной изоляции по периоду волнового процесса.

4. Разработаны схемы переносного аппарата. Регистратор расстояния и высоковольтный источник прошли натурные испытания.

5. Регистратор расстояния до места пробоя позволяет определить пробои изоляции типа «жила-жила», «жила-оболочка» в кабельной линии, за счёт встроенных в корпус установки согласующих резисторов, к которым подключаются свободные жилы силовой кабельной линии.

6. Экспериментально проверено, что данная установка позволяет диагностировать кабельные линии и определять место повреждения, минуя процесс прожигания изоляции, особенно актуально для кабелей из сшитого полиэтилена, набирающих на сегодняшний день наибольшее распространение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С целью определения характеристик и условий высоковольтных испытаний силовых кабельных линий при разработке переносной высоковольтной диагностирующей аппаратуры выполнена классификация методов высоковольтных испытаний КЛ. Установлено, что основным методом испытания • изоляции силовых кабелей наиболее подходящим является метод испытания по однополярной схеме.

2. Сделан анализ методов определения мест повреждения дистанционных способов диагностирования силовых кабельных линий применяемых к переносным испытательным установкам. Установлено, что наиболее универсальным является метод колебательного разряда.

3. Сделан анализ применяемого отечественного и зарубежного применяемого оборудования для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий, приведены их основные технические параметры. Показано, что применяемое оборудование обладает громоздкими массогабаритными показателями отсутствием встроенных регистраторов расстояния, что усложняет и замедляет определение места повреждения ослабленной изоляции в кабельных линиях.

4. Сделан обзор применяемых зарубежных и отечественных аналогов рефлектометров с их основными техническими характеристиками, что позволило сделать заключение о том, что применяемые рефлектометры обладают многофункциональностью, что усложняет работу с ними и обладают недостаточным посылаемым зондирующим импульсом.

5. Разработана математическая модель высоковольтной переносной ' испытательной установки и методика расчёта схем выпрямителей с умножением, напряжения в режимах с повышенной нагрузочной способностью.

6. Оценены факторы, влияющие на повышение нагрузочной способности выпрямителей с умножением напряжения при помощи: а)

159 неравномерного распределения ёмкости по каскадам выпрямителя; б) катушки индуктивности включённой в резонанс с входным конденсатором; в) изменение формы питающего напряжения; г) симметричной и несимметричной схем умножения.

7. Предложена компьютерная модель силовой трёхфазной кабельной линии, учитывающая частотно - зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведущих частей кабеля, которая показала совпадение результатов с физической моделью при исследовании волновых процессов при пробоях изоляции в кабельной линии

8. Предложена компьютерная модель технологической системы «высоковольтная испытательная установка — силовая кабельная линия», позволяющая получать в реальном масштабе времени процессы с момента начала высоковольтных испытаний (заряда ёмкости кабеля), до момента пробоя ослабленной изоляции и разряда ёмкости кабельной линий.

9. Обоснованы оптимальные параметры схем испытания по минимуму искажения волнового процесса в повреждённой жиле при отыскании места повреждения методом колебательного разряда.

Ю.Обоснован выбор дросселя установки для защиты диодов выпрямителя при пробоях изоляции во время высоковольтного диагностирования силовой кабельной линии.

11. Разработана переносная испытательная установка с регистратором расстояния до места повреждения, прошедшая натурные испытания в электрической сети 6-10 кВ и внедрённая в эксплуатацию в электрических сетях Ростовэнерго, Донэнерго защищена патентом РФ.

12. Предложено техническое решение позволяющее исключить прожигание изоляции в процессе определения места повреждения и сразу перейти к трассовым методам поиска дефектной изоляции, в особенности для кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.

1. Нормы испытаний электрооборудования Текст./ М.: Атомиздат. - 1997. -303с.

2. Методы контроля состояния кабельной линии Текст./ Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования. Раздел 13.// М.: СПО ОРГРЭС. 1997.

3. Платонов В.В. Испытание и прожигание изоляции силовых кабельных линий Текст./ Платонов В.В., Шалыт Г.М.// М.: Энергия.- 1975. 136 с.

4. Тиняков H.A. Техника высоких напряжений Текст./ Тиняков H.A., Степанчук К.Ф.// Мн., «Вышэйш. школа»,- 1971.- 328с.

5. Быкадоров В.Ф. Определение мощности переносных испытательных аппаратов для силовых кабельных линий Текст. /Быкадоров В.Ф., Платонов В.В. // Изв.вузов. Электромеханика. 1985. - № 7. - 24 - 28 с.

6. Погарский В.И. О профилактических испытаниях кабельных линий Текст./ Погарский В.И.// «Электрические станции», 1962. - №2.

7. Погарский В.И Методы профилактических испытаний высоковольтных кабельных линий Текст./ Погарский В.И.// «Электрические станции», -1953, №5.

8. Шалыт Г.М. Повышение эффективности профилактики изоляции в кабельных сетях Текст./Шалыт Г.М.//. Труды ВНИИЭ: вып. 7.М., -Госэнергоиздат, 1959.

9. Шалыт Г.М. Новый метод .испытания изоляции в кабельных сетях Текст./ Шалыт Г.М.// Информационные материалы, №39, ВНИИЭ.М. -Л., Госэнергоиздат, - 1959.

10. Шалыт Г.М. Профилактические испытания кабельных линий 6-10 кВ под нагрузкой Текст./ Шалыт Г.М.// «Электрические станции». 1958. -№8.

11. Погарский В.И Инструкция по эксплуатации силовых кабельных линий напряжением до 220 кВ Текст./ Погарский В.И.// М., «Энергия». - 1966

12. Баранов Б.М. О профилактических испытаниях изоляции кабельных сетей Текст./ Баранов Б.М.// «Электрические станции». — 1961.- №2.

13. Герцик А.К. Ионизационные характеристики бумажно-маслянной конденсаторной изоляции при искаженной форме воздействующего напряжения Текст./ Герцик А.К.// Известия НИИПТ: Сб. №3, Госэнергоиздат. - 1958.

14. Александрова Н.П. Исследование эффективности испытаний кабельной изоляции постоянным и пульсирующим напряжением Текст./ Александрова Н.П. Манн А.К.// «Электрические станции». 1961. - №12.

15. Деверни В.Г. О применении переменного напряжения для испытания высоковольтных кабельных линий Текст./ Деверни В.Г. Сахибов Ш.Д.// Известия АН УзССР. Серия «Технические науки». Ташкент. — 1973. №3.

16. ПТЭ электрических станций и сетей Текст./ М. «Энергия». 1968.

17. ПТЭ электроустановок потребителей Текст./ М. «Атомиздат». 1970.

18. Шалыт Г.М. ОМП ЛЭП импульсными методами Текст./ Шалыт Г.М.// «Энергия». 1968.

19. Быховский Я.Л. Импульсные измерения линий электропередачи и электросвязи Текст./ Быховский Я.Л. Бакиновский В.Л.// Госэнергоиздат. -1949. . .

20. Бакиновский В.Л. Измерения расстояние до мест повреждений на воздушных и кабельных линиях электропередачи и связи Текст./ Бакиновский В.Л., Осадчий А.П. Сосфенов Н.И. , Спиридонов В.К.// Труды ЦНИЭЛ. вып.2. - Госэнергоиздат. - 1954.

21. Шалыт Г.М. Определение места повреждения кабельных линий Текст./ Шалыт Г.М.// «Электрические станции». — 1954. №7.

22. Nicolas Е. 'Fault locator expedites repairs on plum Island submarine cable Text./Nicolas EM Electrical Word. November 23. - 1959.j

23. Nirrengarten A. Erfahrungen bei Fehlerort messungen mit dem Ehometer im Fernelde-kabelnetz einer Stadtverwaltung sowie der Stadtischen Versargungs-betribe Text./ Nirrengarten AM Elektrizitatswirtschaft. - 1959. - H.23.

24. Snringfield T. Fault location methods for overhead lines Text./ Snringfield T.,Marihart D., Stevens KM Power Apparatus and System . — 1957. v. 31.

25. Определение мест повреждений в воздушных и кабельных линиях (переводы статей) Текст./ «Энергетика за рубежом». — Госэнергоиздат. — 1959.

26. Fujitaka S. The present situation of the transmission line fault locators in Japan Text./ Fujitaka S., Udo Til 1962.

27. Приборы для определения' места повреждения подвесных линий электропередачи , перевод с японской статьи К. Есида. Помещенной в журнале «дэнки кейсан», перевод ВИНИТИ №43351/4. 1965. - 1963. т.31.-№7.

28. Осадчий А.П. Новые методы определения расстоянтя до места повреждения на линиях Текст./Осадчий А.П.// «Труды ЦНИЭЛ». вып. Госэнергоиздат. 1956.

29. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения линий электропередачи импульсными методами Текст./ Шалыт Г.М.// Госэнергоиздат. 1949.

30. Маранчак В.К. Способ ■ отыскания повреждений на передачах постоянного тока Текст./ Маранчак В.К., Новелла В.Н., Вейский СИМ авт. свид. № 269272 от 13/11 70г.

31. Спиридонов В.К. Определение места повреждения при заплывающем пробое кабеля методом колебательного разряда Текст./ Спиридонов В.К.// Электрические станции. 1959. - №1.

32. Garton Н., Jaspers С., Steev Е., Winemiller Н. Experimental fault-locating work on pipe-type cabele Tekst./ Garton H., Jaspers C., Steev E., Winemiller H.// Power Apparatus and Systems. 1959. - №47.

33. Дементьев B.C. Как определить место повреждения в силовом кабеле

34. Текст./Дементьев B.C.// М. вып. 32. JI. 1960г.163

35. Шалыт Г.М. Теория и применение дистанционного определения мест повреждения электропередач Текст./ Шалыт Г.М.// диссертация д.т.н. -Москва. 1974г.

36. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях Текст./ Шалыт Г.М.// М. Энергоиздат. 1982.

37. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения воздушных и кабельных линий электропередачи (обзор) Текст./ Шалыт Г.М.// Выпуск 2. БТИ ОРГРЭС.- 1961.

38. Шалыт Г.М. Прожигание изоляции силовых кабельных линий для определения места повреждения Текст./ Шалыт Г.М.// М. «Энергия». -1968.

39. Разработка переносного испытательно-измерительного устройства с цифровой индикацией расстояния до места повреждения кабельной линии Текст./Отчет о НИР, тема 2.2. Договор № 60.92.-Ростов-на-Дону. СевероКавказский научный центр высшей школы.-1992.

40. Быкадоров В.Ф.,Платонов В.В. Определение мощности переносных испытательных аппаратов для силовых кабельных линий Текст./ Быкадоров В.Ф.,Платонов В.В.// Изв.вузов. Электромеханика. 1985. - № 7. С. 24 - 28.

41. Берёзкин Е.Д. Структура и принцип построения переносной установки для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий 6-10 кВ: Тез.докл./ Берёзкин Е.Д.//Изв. Вузов. Электромеханика.-1997.-№1-2.-С.95

42. Погарский В.И. Об улучшении профилактических испытаний кабельных линий Текст./ Погарский В.И.// "Электричество". 1978.- № 12.

43. Платонов В.В. Устройство и методы диагностики поврежденийкабельных линий и токопроводов . Кибернетика электрических систем потематике "Диагностика электрооборудования": Тез.докл./ Платонов В.В.,

44. Пирожник A.A., Березкин Е.Д.//14 сессии-семинара. Новочеркасск. 23-25сент. 1992 г. //Изв. вузов-Электромеханика.-1992.-№ 6.-С.87164

45. Арцишевский Я. JI. Определение мест повреждения линий электропередачи в сетях с изолированной нейтралью Текст./ Арцишевский ЯЛ.// Учеб. пособие для ПТУ. -М.: Высш. шк. 1989. - 87 с.

46. Правила устройства электроустановок. / Минэнерго РФ. -7-е изд., М.: ЭНАС. -1999.

47. Пурусов A.A. Аппарат АИИ 70 с полупроводниковым выпрямителем вместо кенотронной приставки Текст./ Пурусов A.A.// «Энергетик». -1973г.-№8.

48. Алексеев Б,А. Объём и нормы испытаний электрооборудования Текст./ Б.А. Алексеев, Ф.Л. Коган, Л.Г. Мамиконянца/ 6-е изд. - М.: НЦ ЭНАС, 1998.-256 с.'

49. Разработка и исследование высоковольтной испытательной установки типа УВИ 70. Отчёт по НИР, Гос. per. 70036131 Инв. № Б 297395 НПИ. Новочеркасск 1973г.

50. В. Д. Разевиг Система схематического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpise) Текст./ В.Д. Разевиг// М.: Ск Пресс. 1996. - 272с.

51. Березкин Е.Д. "Анализ характеристик и разработка испытательных моделей силовых кабельных линий 6 10 кВ для диагностических лабораторий электрических сетей" Текст./ Березкин Е.Д.// диссертация на соискание к.т.н. - ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск. - 2001.

52. Беллорусов Н.И. Электрические кабели, провода и шнуры. (Справочник) Текст./ Беллорусов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И.// Москва. «Энергия». -1979.-416 с.

53. Пат. 78582 РФ, МПК G01R 31/08 Переносное устройство для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий с регистратором расстояния до места повреждения изоляции Текст./ Быкадоров В.Ф Пирожник A.A. Юров A.A.// Опубл. 2008, Бюл.№33.

54. Коутс Р. Интерфейс "человек-компьютер" Текст./ Коутс Р., Влейминк И.//М.: Мир. 1990.-501 с.

55. Каверт Ч. Освой программирование в Windows за 21 день Текст./ Каверт Ч.// Пер. с англ. - М. : БИНОМ, 1995. - 496 с.

56. Дмитриев А.К., Мальцев П.Л. Основы теории построения и контроля сложных систем Текст./Дмитриев А.К., Мальцев Yl.Jl.il. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение. - 1988. - 192 с.

57. Бажанов С.А. Выбор аппаратуры для испытания электрооборудования Текст./ Бажанов С.АЛ Москва. «Энергоиздат». 1987. - 128с.

58. Балабух А. И. К теории работы нагруженных каскадных генераторов Текст./Балабух А. И.// Известия вузов, Сер. Энергетика. 1971. - №8.м