автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Устройство для определения места повреждения кабелей по индикации импульсного магнитного поля

Уральский государственный технический университет

Устройство для определения места повреждения кабелей по индикации импульсного магнитного поля -

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук

На правах рукописи

Шабанов Виталий Анатольевич

профессор В. В. Шипицын

Научный консультант

кандидат технических наук

доцент Ю. А. Хлюпин

Екатеринбург -1999

3.5. Физическое моделирование

3.6. Сравнительный анализ результатов математического моделирования и реальной установки 82

Глава четвертая. Инженерная методика расчета и проектирования импульсного генератора, и выбор его оборудования 94

4.1. Блок-схема устройства 94

4.2. Расчет генератора импульсов высокой частоты 95

4.3. Расчет разрядной цепи 98

4.4. Расчет зарядной цепи 99

4.5. Зарядный дроссель 100

4.6. Выбор выпрямительных диодов и коммутатора 106

4.7. Система управления 111

4.8. Защита устройства 119

4.9. Порядок расчета выбора основных параметров и элементов устройства по заданным условиям 121 Глава пятая. Результаты лабораторных и полевых испытаний опытно-промышленного образца импульсного генератора 122

5.1. Создание реальной установки 122

5.2. Работа установки по определению места повреждения на трассе KJ1 133 Заключение 139

Библиографический список Приложения

144 152

4

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на повышение качества изоляции и токоведущих частей электрооборудования, кабельных линий, нельзя исключить их повреждения. В современных условиях непрерьюно возрастают требования к надежности и бесперебойности электроснабжения предприятий, учреждений и других объектов хозяйства. Поэтому предотвращение или быстрая ликвидация повреждений электрических сетей является важнейшей задачей. Определение места повреждения - это сложная взаимосвязанная система операций, способствующая решению этой задачи.

Актуальность темы.

Определение места повреждения является наиболее сложной, а часто и относительно более длительной технологической операцией по восстановлению поврежденного элемента сети. Выявление места дефекта поврежденного кабеля представляет значительные трудности, так как виды повреждений имеют большое разнообразие и зависят от условий, при которых они возникают. Большое разнообразие видов и параметров повреждений вызвало создание разнообразных методов и аппаратов для определения места повреждения. Большой вклад в создание различных методов и средств для определения мест повреждений внесли такие ученые как: Шалыт Г. М., Платонов В. В., Быкадоров В. Ф., Бахмутский В. Ф., Зуенко Г. И. и множество других. После периода некоторого спада изобретательской деятельности, произошедшего в 1993-94 гг. постепенно начинает проявляться потребность в усовершенствовании методов поиска повреждений в кабелях для уменьшения перерывов в электроснабжении потребителей. Существуют различные разновидности и усовершенствования методов по определению мест повреждений, которые сделали Власов В. И., Кочанов C.B., Лейман Г. Г., Ильин В.А., Лямец Ю.

5

А. и другие. Однако, при всем многообразии технических средств и методов для определения места повреждения встречаются повреждения, для обнаружения которых требуются значительные средства и время, что приводит к недоотпуску электроэнергии. Затраты средств на определение места повреждения составляют существенную часть эксплуатационных издержек в электросетях. Доля же капитальных затрат на устройства для определения мест повреждения в общих капитальных затратах относительно мала. Внедрение прогрессивных методов и средств при определении мест повреждений дает значительный экономический эффект, обусловленный сокращением перерывов электроснабжения, уменьшением ремонтных работ и т. п.

Таким образом, перед нами стоит задача разработки метода и устройства для определения места повреждения при однофазных замыканиях на землю и при заплывающих пробоях, поскольку именно такие повреждения наиболее трудны в отыскании. Особенно сложно отыскивать однофазные повреждения в кабелях 0,4 кВ.

Данная задача включает в себя не только создание устройства для определения мест повреждений, но и его исследование, то есть оптимизацию конструктивных параметров устройства исходя из наихудших условий работы, создание математической модели, которая бы соответствовала реальному устройству и воспроизводила электромагнитные процессы как в самом устройстве, так и поврежденного кабеля, анализ работы устройства в реальных условиях.

Целью настоящей работы_является: - разработка методики для определения места повреждения в кабеле при однофазных замыканиях на землю и при «заплывающих» пробоях;

6

разработка устройства по данному методу, оптимизация конструктивных параметров исходя из минимального принимаемого сигнала;

- математическое моделирование электромагнитных процессов в устройстве для определения мест повреждений в кабеле по индикации импульсного магнитного поля;

- разработка инженерной методики расчета устройства для определения места повреждения по индикации импульсного магнитного поля над трассой КЛ.

Задачами исследования являются:

■ выбор выходных электрических параметров установки, обеспечивающих необходимый сигнал для индикации,

■ выбор структуры устройства,

■ разработка математической модели устройства,

■ выбор принципиальной схемы устройства,

■ исследование электромагнитных процессов, связанных с генерацией электромагнитного поля,

■ расчет и проектирование опытно-промышленного образца,

■ исследование опытно-промышленного образца в реальных условиях.

Научная новизна работы и основных ее результатов заключается в следующем:

■ показана актуальность применения метода по индикации импульсного магнитного поля для определения места повреждения в кабеле, имеющем замыкание жилы на оболочку,

■ разработана методика определения места повреждения и устройство ОМП по индикации импульсного магнитного поля,

■ разработана структурная схема устройства для ОМП по индикации импульсного магнитного поля,

■ разработана и исследована математическая модель силового кабеля с учетом его волновых свойств и потерь в нем,

■ разработана математическая модель устройства, учитывающая реальные свойства тиристора, волновые свойства и активные потери в ИФЛ, волновые свойства и активные потери в кабеле,

■ исследованы электромагнитные процессы на математической модели разработанного устройства и в реальной установке, а также произведено сопоставление полученных результатов.

Практическая значимость работы.

Разработаны:

1. устройство для ОМП по индикации импульсного магнитного поля,

2. инженерная методика расчета параметров устройства,

3. методика и инструкция по эксплуатации разработанного устройства.

На защиту выносятся: результаты исследования методики расчета тока, пропускаемого по жиле поврежденного кабеля для индукционного метода, результаты исследования принципов определения места повреждения по индикации импульсного магнитного поля,

результаты исследования математической модели устройства для определения мест повреждения кабеля методом индикации импульсного магнитного поля,

результаты исследования реальной установки для определения места повреждения кабеля методом индикации импульсного магнитного поля.

8

Реализация результатов работы.

Устройство для определения однофазных повреждений в кабелях по методу индикации импульсного магнитного поля изготовлено и успешно используется на Уральском электрохимическом комбинате (УЭХК). С помощью этого устройства отыскиваются повреждения кабелей на рабочее напряжение 0,4-10 кВ.

Методы исследования, представленные в данной работе могут быть применимы к анализу и других устройств для определения мест повреждений в кабелях, а с помощью математической модели устройства можно анализировать процессы, происходящие в устройстве и поврежденной кабельной линии.

Применение разработанного метода и устройства значительно сокращает ремонтные работы, а также объем земляных работ и трудозатрат, так как при ликвидации повреждений на КЛ 60-80 % времени составляет определение места повреждения.

Апробация.

Основные положения и отдельные результаты диссертанционной работы докладывались и обсуждались на 2-й Международной конференции по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ - 96, подсекция "Электрические аппараты" (Крым, 1996), на 3-й Международной конференции по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ - 98, подсекция «Электроизоляционные материалы и изделия» (Клязьма, 1998), на Всероссийской научной конференции "Электротехнология : сегодня и завтра", секция "Управление электротехнологическими установками и источниками питания" (ЧувГУ, Чебоксары, 1997), на научно-практическом семинаре "Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и

электротехнологий" (УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 1997), на

9

консультационном семинаре «Правильная эксплуатация оборудования лабораторий ЛВИ - гарантия безопасности пользователя» (ООО ЭМЗСБЫТ, Ярославль, 1998, на пятом международном симпозиуме «Электротехника 2010». По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура диссертации.

Данная работа построена следующим образом. В первой главе рассмотрены характеристики и параметры кабельной изоляции, условия возникновения и виды повреждений, даны описания наиболее распространенных существующих топографических методов определения мест повреждений, указаны условия наилучшего использования этих методов, рассмотрены достоинства и недостатки этих методов. Во второй главе приводится теоретическое обоснование предложенного метода, произведен расчет параметров импульса на основе закономерностей распространения электромагнитного поля над трассой кабеля, составлена структурная схема устройства. В третьей главе произведена оптимизация формирователя импульсов - ИФЛ, разработана математическая модель устройства, выполнены исследования электромагнитных процессов с различными вариантами нагрузок, исследование на математической и физической моделях, а также произведено сопоставление и анализ результатов математического, физического моделирования и результатов лабораторных испытаний устройства. В четвертой главе приведена инженерная методика и выполнены инженерный расчет и проектирование импульсного генератора и его схемы управления на основе результатов, полученных в предыдущих главах. В пятой главе приведены результаты лабораторных исследований реального устройства, а так же результаты полевых испытаний устройства. В Заключении сформулированы основные выводы по работе.

ллвнтм <Ьяч ия 1ОП гпяшгглп

........................."2« .,15 r«n

паирл/л^пн^ jj mj pi j.

епотяп шппгией тотоя и спттяпятоише по rhme о пяппяжетгаем R пегчтп.тяте

' ' ' ' i i д •/ '

H

суммарный ток в диэлектрике будет отличаться от 90 градусов ш» угол

ДИЭЛсКГрйЧоСКМл iiOiopb.

Диэлектрические потери являются одной из важных характеристик как изоляционных материалов, так и изоляция кабелей. Значение -ig изоляции кабеля может характеризовать качество его изготовления, то есть тщательность соблюдения технологического процесса. Наличие в изоляции загрязнений или влаги приводи! к увеличению lg $ . Оеоиенни сильное возрастание teT наблюдается ппи увлажнении таких гигпоскопичных

л. W ' * Ж. я/ *

Mai'CpnöiiOö KäK iipGiiniaiinbiC И KCiipüiüri'iüKKbiC ОуМйл И ПрХЖа. ЗлИЯНИС

влаги на электрические характеристики пластмасс и резины сказывается

При измерении угла диэлектрических потерь высоковольтных кабелей ш^и возрастаний шп*\яжения t** $

снячяття пстяется почти

неизменным, и -saicM при ди^шжешт инроделептл и шаченил

напряженности электоического поля начинает увеличиваться. Это

Д. Л.

ii/«i.iti«Kiv*ii » i'i</> il , > л *\t % (мшим im^ittiMi tt/*i*i * u«i ii/v> in ntirii ia Jtir ш/лгк» itjn

WU/lVilVlWlV/i A VlH7 HU ii HOVWl/lLfCUl 1XUVW1/& JLiVVl Ди W1U UUsl^ j Ш1Ш1У U1UUV/ iviixm.

При этом напряженность перераспределяется обратно пропорционально диэлектрической проницаемости газа и диэлектрика и будет в газовом

включении значительно иильше, чем в остальной изоляции. поскольку электпическая прочность возлуха в 10-15 паз меньше, чем тр.еплого

ДпЗЛСКГрИКо, Б i'äöüöOM ККЛЮЧСНмИ ПрОцССС гЮшпацш! iianriHävi'vii iipiri

16

напряженности поля значительно меньшей, чем в сплошном диэлектрике

г л -» с п

Чем больше диэлектрическая проницаемость материала. тем

• - ж л. *

>-ч )Ш1г гпи I г/ла и/\ 11импп |/л»1аш к '1<аи /и ш/«! • '«»'»/ч»» > шпи/м шпии

у 1 XX ДУШ шдиуцуу Д сюиишу

так как ионизация происходит, когда напряженность электрического поля

е воздушных включениях достигает значения, при котором воздух

'*> '"Г"

-1—1

нахидящиися в изоляции, теряет деии изиляцжшные сиииетва и сташлштея ппоколяшим. Следовательно. увеличение t» <Г ппоисхолит за счет

х ' ' • ' ' j mf W ± * '

ДОПО^ШН'ГСЛЬНЫХ iiO'ivpb НС Б CöMOM ДИЗЛСКТрИКС, ä Б ВОЗДУШНЫХ (¡ аЗОБЫл)

включениях, в которых начинается ионизация. Б то же время

iiiAirmiiiWB-qn nnrtiiuivix ппг>тп;тш.п' DvmnnAiinii ^аоилит пт mv по^ирпло п

ivfivw 1 хw uiwiu иишиь uiwuvf дvnnii uMjjAavui v* AU9L ЛЛ

давления в них газов.

В изоляции кабеля газовые включения имеют разные размеры при различном давлении в ыих газа и находя гея ь разных слоях изоляции. Поэтому возрастание ts S пооисхолит сначала медленно только за счет

V Л W А

ИГ 1IMJV > >#« F»/Vlt ■ IV II 1Л lll/VI l£»l V IJ |J f 1Г1 V/Л 11П11П1 Vi4l fl^t IIIJ'HJ irrii III I ll/tlll III IMI я

ии^шшнА д uovum^i. i>awjuv iviixizi7 uwui'jii лиидш. v iiuuuimvAiiivm

напряжения возрастает как интенсивность ионизации, так и количество газовым включений, в которых происходит ионизация, что ведет к более резкому возрастанию ig (Г. В силовых кабелях с бумажний иринитаиний изоляпией возлутттньте включения ппи нелостаточной ппопитке могут

f w

Д1Л/ш1ахо 1ил1цппо1 ujrmamnun Jivnioi, a iipn buoiiä^viuin jajupuij mv/n/t)

Основной ппичиной повышения ллительной электпичестсой

Л ' ' А

?1

постоянной ионизации газовых включений из-за образования на стенках этих включений объемных зарядов, создающих дополнит^шнос электрическое поле, направленное против основного поля в кабеле и

Л. л. *

ослабляющих ею. В результате напряженность поля и воздушных включениях снижается и ионизация прекращается. Такая саморегулировка напряженности электрического поля предохраняет изоляцию кабеля от разрушения при рабше ею в сетях циешмннши шка.

1.2. (!тпшша системы поиска мест повреждений

. V * я

л сипиии^лмпу шпДио п лараыера 1ш0р\мп,цш|ш пь ииооиллъ! иилЗ'пшо

какой-либо универсальный метод ОМП. Еще более сложно создать какую-

Ьл \лцирапл(11п.шлл оппог»отч1то; ТТттст пог>птшпгл т>тлпта тпллш н см'ЙЧ

«"'» * «1 с

также видов повреждении к методам и устройствам ими предъявляются

различные требования, обусловленные технико-экономическими факторами. Удовлетворить эти требования удается только при условии оассмотоения совокупности методов и средств ОМ11 как системы с единой

л л V Л. ■ -

ич*1 тми/ш )И1имм »л мпи ШЛЧРЛ/М»* и/мттпшиип

V Д, л\.ху Дл/1 ИУУЛ 1. гшеи ^ШШШ и АХрЛМ ^ииииш X ЛУ1.

Система ОМП включает четыре операции: определение поврежденного

элемента; прожигание изоляции; дистанционное ОМП; топографическое

ОМП. Выделение поврежденною элемента оеуществляешя автоматчеики ппи срабатывании селективной релейной зашиты 152. 611, поэтому это

р<№л/ма1 рпоанп/л пь

Прожигание - это подготовительный этап, обеспечивающий

ВОЗМОЖНОСТЬ йСпОЛЪЗОБаНйй СОВОКУПНОСТИ М6ТОДОБ Oivííl. ívíüOiüc M©ГОДЫ

UM11 требуют переходного сопротивления в месте повреждения не более сотен и даже единиц Ом. Снизить переходное -сократилейке задачи прожигания.

Общими требованиями к ОМП всех типов линий являются быстрота

тт jt" г î^-r ггт

и точность. паииилсс оыстро можно провести дистанционное vjivlu, заключающееся в изменении пясстояния ло места повреждения от какого-

I • * • * * 90* >«*»»»»»»» U^.« » » » »»••WV»-»»W»<» - ЛТТ Г /• » » t »»« Сб-'Г«.'«» » t Я 9 1|Г1 <*•(**••

juiuu п.ипца шпип, ни дну i апцпиппиь wivui nv лоллыъл luixinuyt, unv jrnuu)

показывает район повреждения. Это происходит потому, что в

T^VUIinAPVrtn ТГЛ1П/МЙИТ(11ТОН И A imiITl-IDQAT^a nPnAtmniAUTIA

Ж.%*£ЪЛ.ХЯЖ. JL VWUV11 XIV j uiimUWVIVil lâW^VlUVU^VliUW

гоЙАпа nry

nwuwi/i *»u

вертикали, не учитывается укладка каоеля в траншее оез натяга 1/шк называемой "змейкой"). Таким образом, дистанционное определение места повреждения позволяет быстро указать фактически не место повреждения, а зону его расположения и погрешность при дистанционных ОМП в

щ/ммшш <В1«г*** пниип ^ ТТ ни Т(ГТТ пшч^чу/чпмм (ши/^шет ш анш /ъник!

Л У уадлш V / V. хи X УЛУДиии Д У^ША!^ ^'¿ЦЧ'

метод определения места повреждения - топографический.

Топографическое ОМП - определение точки на поверхности земли

/~Ч . . . /Г

на трассе каоелм, где произошло повреждение, ишиока шиотрацжческих

методов не лолжна превышать 3 м. JHo ограничиваться использованием

7А

76

разование; 2) оказывать минимальное воздействие на неповрежденную изоляцию; 3) иметь минимальные