CC BY
31
УДК 621.31
Анализ методов оценки состояния изоляции
сельских распределительных сетей 10-35 кВ
Л.М. Рыбаков
Марийский государственный университет, Йошкар-Ола
Рассмотрены причины отказов элементов изоляции сельских распределительных сетей 10-35 кВ, выполнен анализ существующих методов диагностирования, выявлены их недостатки и показаны перспективы развития средств диагностирования элементов СРС.
The article explores the reasons of insulation failure in the rural distributing networks of 10-35 Kw. It presents the analysis of methods of control, their drawbacks and shows the prospects for the development of the facilities diagnosing elements of rural distributing networks.
Анализом аварийных отказов в СРС 10-35 кВ установлено [1], что наименее надежными элементами в электроустановках (ЭУ) являются изоляторы воздушных линий (ВЛ), трансформаторы и коммутационные аппараты. На основании многолетних исследований (20 лет) установлено [2], что аварийные отказы в СРС -довольно сложные и многофакторные явления, возникающие в системе «электроустановка - среда» вследствие нарушения пространственно-временных и функциональных взаимосвязей элементов данной системы и общих требований правил технической эксплуатации электроустановок. Аварийный отказ формируется под влиянием большого числа разнообразных факторов и обстоятельств, имеющих случайный характер своего проявления и являющихся следствием действия многих других причин и факторов. Такой характер причин аварий обусловлен неправильными действиями людей (ошибки персонала), отказами в работе ЭУ и средств защиты от перенапряжений, нарушением требований ПТЭ. К опосредствованным причинам относятся недостаточная надежность применяемых элементов и ЭУ в СРС 10-35 кВ, несовершенство конструкции и схем электроснабжения сельских электроприемников, недостаточная квалификация персонала, несовершенство процесса диагностирования ЭУ.
На основе анализа установлено [3], что отказами (инцидентами) в СРС 10-35 кВ являются случайные процессы, которые характеризуются ординарностью, отсутствием последействия и стационарности. Отказы элементов СРС можно представить в виде потока редких событий, появляющихся в случайные моменты времени и распределенных по закону Пуассона:
р = дОгУ_ ехр(_Ыт), (1)
к!
где кЛт- параметр распределения.
Из изложенного сделан вывод, что отказы (инциденты), связанные с ЭУ и изоляционными элементами в СРС 10-35 кВ, имеют в определенном смысле вероятностный характер, и стратегия их снижения должна базироваться на снижении отказов изоляционных элементов.
Считая ситуацию, при которой может произойти отказ в СРС, за событие, вероятность отказа определяется по формуле:
Р(п) = ^Р{Сг) Р(П/С),
1
где Р(С\) - вероятность появления ситуаций, образующих границу несовместимых событий , = 1,2...п (гроза, увлажнение, внутреннее перенапряжение и др.);
Р(П/С\) - условная вероятность отказа (пробоя) при появлении ситуации:
Р (С,) = Т,
где Ц - длительность ситуации;
Т - заданный промежуток времени.
Уменьшение вероятности развития отказов из-за повреждений изоляционных элементов (ИЭ) и ЭУ в СРС 10-35 кВ и, следовательно, повышение надежности электроснабжения электроэнергетических комплексов сельскохозяйственного назначения, целесообразно осуществлять методами и средствами, обеспечивающими уменьшение объективных факторов возникновения аварийных ситуаций и таким путем сократить число и длительность их существования.
Важнейшим средством обеспечения безаварийности эксплуатации электротехнических комплексов сельскохозяйственного назначения, подключенных к СРС 10-35 кВ, является совершенствование технических средств диагностирования (ТСД), благодаря которому снижается число отказов.
Проблеме оценки состояния изоляции в настоящее время уделяют большое значение и она получает различные направления. Слабое развитие диагностики элементов сельских распределительных сетей и оборудования обусловлено отставанием теоретических исследований от экспериментальных. При исследовании изоляции основное внимание уделяется следующим вопросам:
1. Исследование электрической прочности готовой изоляции (всей линии) при различных видах воздействующих (испытательных) напряжений (переменное, постоянное, наложение постоянного высокого напряжения на рабочее переменное, импульсное).
2. Исследование основных факторов, снижающих электрическую прочность изоляции в эксплуатации (тепловое, электрическое, химическое старение под воздействием влаги, кислорода, других агрессивных сред, механическое воздействие, солнечная радиация и т.д.).
3. Исследование эффективности различных методов диагностики и средств испытаний изоляции с целью выявления в ней дефектов и оценки ее состояния.
Все методы оценки состояния изоляции можно разделить на две самостоятельные группы:
1. Разрушающие испытания.
2. Неразрушающие испытания (диагностические оценки состояния).
К разрушающим испытаниям относятся испытания изоляции повышенным переменным напряжением промышленной частоты и выпрямленным напряжением, испытание изоляции сетей под нагрузкой методом искусственно созданных перенапряжений, испытание изоляции импульсным напряжением.
Разрушающие испытания являются наиболее полно характеризующими состояние изоляции. Однако использование их для проверки изоляции в сельских распределительных сетях - это дорогостоящее мероприятие, требующее сложной громоздкой испытательной аппаратуры. Указанные виды испытаний относятся к разряду работ с повышенной опасностью и требуют высокой квалификации персонала и не менее 2-3 человек для проведения испытаний. К недостаткам разрушающих испытаний относятся повреждения ослабленной изоляции, которая могла бы выдержать рабочие напряжения некоторое время, а также ослабление нормальной изоляции при наличии начальных дефектов, которая затем пробивается под рабочим напряжением.
Выпрямленное испытательное напряжение принимается равным 20 кВ. С учетом наложения амплитуды фазного напряжения сети оно составляет 28 кВ, что приближается к предельному значению внутренних перенапряжений в сети 10 кВ.
Продолжительность приложения испытательного напряжения - 1 минута. Периодичность испытания устанавливается один раз в три года, однако в межиспытательные сроки наблюдаются случаи повреждения силовых трансформаторов и изоляции воздушных линий. Положительный эффект испытаний под рабочим напряжением выражается сокращением числа аварийных отключений.
Для установления оптимальной периодичности испытаний необходим анализ затрат на испытание и ущерба, наносимого потребителям при перерывах электроснабжения из-за повреждений изоляции. Эти испытания целесообразно совмещать с планово-предупредительными ремонтами в сетях.
При испытании участков воздушных линий 6-10 кВ с отключенными трансформаторными подстанциями значение выпрямленного напряжения выбирается в соответствии с максимальным напряжением внешней изоляции и составляет 60 кВ для сетей 10 кВ и 45 кВ для сетей 6 кВ. Если линия испытывается с присоединенными трансформаторными подстанциями, испытательное напряжение определяется минимальным пробивным напряжением вентильных разрядников: 25 кВ у разрядников РВП-10 и 16 кВ - у разрядников РВП-6.
На некоторых электросетевых предприятиях изоляция вновь вводимых и прошедших капитальный ремонт воздушных линий 6-10 кВ испытывается повышенным напряжением промышленной частоты с использованием передвижных лабораторий. Однако этот метод находит ограниченное применение из-за потребности большой испытательной мощности для ограниченной длины воздушной линии, что обусловлено емкостью линий относительно земли и токами утечки в зависимости от состояния изоляции и климатических условий текущего года.
Испытания импульсным напряжением проводятся на линиях 6-10 кВ с железобетонными опорами. Для формирования длительности испытуемого импульса высокого напряжения принимаются схемные методы, замедляющие нарастание напряжения и последующий разряд конденсатора через разрядник с использованием резисторов, однако из-за малой эффективности указанный метод широкого распространения не нашел.
Используется также метод отбраковки пониженной изоляции путем периодического искусственного возбуждения и поддержания перемежающейся дуги между фазой сети и землей [4]. Для этой цели оборудуется специальная ячейка высокого напряжения (ВН), в которой через выключатель с быстродействующей защитой (мгновенная токовая отсечка и плавкий предохранитель) и ограничительное активное сопротивление подключается специальное устройство (регулятор дуговых промежутков или мощные тиристорные ком-
мутаторы) для поддержания перемежающейся дуги между фазой и землей. Для обеспечения идентичных условий испытаний во всех фазах дугу необходимо возбуждать поочередно в каждой фазе, длительность дуговых замыканий необходимо поддерживать в течение 10-20 секунд. Межиспытательный срок устанавливается, исходя из статистических данных каждого конкретного предприятия электрических сетей. Этот метод испытания изоляции в условиях эксплуатации не оправдал себя по двум причинам. Во-первых, уровень дуговых перенапряжений чуть больше 3 иф, что недостаточно для испытания изоляции с уровнем 6-7 Иф. Во-вторых, такое испытание изоляции находит слабую точку в распределительной сети, что приводит к двухфазному или трехфазному короткому замыканию с последующим отключением сети.
Предпринимались попытки отбраковки изоляции в распределительных сетях путем поочередного металлического замыкания на землю двух фаз, при этом на оставшихся двух фазах (а следовательно, на всех трех фазах) будет устанавливаться линейное напряжение. Таким напряжением испытать изоляцию сетей 10-35 кВ, работающих в режиме с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью, невозможно. Это объясняется тем, что уровень изоляции упомянутых сетей составляет не менее 6-7 кВ фазного рабочего максимального напряжения.
Было предложено использование электромагнитного генератора высокой частоты (ЭГЧ) для выявления дефектных изоляторов. Рабочая частота генератора - 500 Гц. Указанный генератор включают как на отключенную линию, так и на линию, находящуюся под напряжением.
При работе на отключенную линию ЭГЧ обеспечивает пробой поврежденного изолятора, наложение на поврежденный изолятор выпрямленного тока до 0,06 А для прожига изоляции, наложение на сеть тока высших гармоник от 0,5-3,5 А в зависимости от переходного сопротивления в месте замыкания, причем содержание прямой гармоники в накладываемом токе составляет от 50-75%.
При работе на сеть, находящуюся под напряжением, генератор обеспечивает подачу в сеть тока высших гармоник до 3,5 А с содержанием составляющей частотой 250 Гц до 75% значения тока, что во много раз превышает естественный уровень 5-й гармоники сети 635 кВ протяженностью до 120-150 км. Вышеописанный метод используется как средство для прожигания дефектных изоляторов и отыскания места их расположения в сети.
Все разрушающие методы оценки состояния изоляции трудоемкие, требуют дорого испытательного оборудования и высококвалифицированного персонала
для их эксплуатации. Использование указанных методов даже с ежегодной периодичностью испытаний не ликвидирует отказы в распределительных сетях, связанные с пробоями изоляции в процессе эксплуатации. Поэтому нужны разработки более эффективных, недорогостоящих методов оценки изоляции под рабочим напряжением в действующих сетях от 10-35 кВ.
К неразрушаю щему контролю состояния изоляции относятся методы испытаний, измерений и проверок изоляции, не требующие источников высокого напряжения. При пробое изоляции и появлении однофазного замыкания на землю в энергосистемах используются схемы неселективной сигнализации замыкания на землю (ЗНЗ) с реле напряжения, схема включения токовых устройств селективной сигнализации, а также пятистержневые трансформаторы напряжения типа НТМИ. Однако вышеперечисленные устройства, применяемые в сетях 10-35 кВ, указывают уже на наличие замыкания одной фазы на землю. Хотя в сетях с изолированной нейтралью работоспособность питающих трансформаторов, линий и потребителей не нарушается и режим работы с ЗНЗ допускается в течение относительно длительного интервала времени (6 ч и более), работа в таком режиме приводит к повышению напряжения двух других фаз относительно земли в ^3 раз, что увеличивает вероятность перекрытия изоляции двух других фаз, а при неустойчивых дуговых замыканиях в месте ЗНЗ возникают и распространяются по сети перенапряжения величиной ЗИф, которые еще больше повышают вероятность повреждения изоляции неповрежденных фаз. В последнее время внедряются устройства, реагирующие на токи и напряжения в начальный момент замыкания, достоинством их является срабатывание не только при устойчивых, но при значительно более частых неустойчивых замыканиях. В этих устройствах имеется счетчик числа срабатываний, с помощью которого ведется автоматический учет числа ЗНЗ без пропусков. Эта информация должна использоваться для рациональной организации профилактических испытаний изоляции ВЛ.
Для проверки изоляции фаз сети относительно земли (ФСЗ), применительно к сельским электрическим сетям, сопротивление ФЗС представлено как емкостной, так и активной составляющими, не ограничено режимом однофазной утечки тока. Принято, что трехфазная сеть со значениями активной составляющей сопротивления изоляции ФЗС, меньше бесконечности, является сетью с уменьшенным сопротивлением изоляции. Для проверки изоляции относительно земли 3-фазной электрической сети с изолированной нейтралью используются специальные схемы, соответствующие основным видам снижения сопротивле-
ния изоляции. Экспериментально измеряется значение напряжения между нейтралью 3-фазной сети и землей и определяется зависимость:
Па = /(О,Я,Яу,С),
где О - проводимость изоляции фаз сети;
Я - активная составляющая сопротивления изоляции фаз сети относительно земли;
Яу - сопротивление току утечки фаз сети относительно земли;
С - емкость фазы.
При изменении одного из параметров Я, Яу С -геометрическое место конца вектора, напряжение между нейтралью трехфазной сети и землей будет характеризовать вид снижения сопротивления изоляции фаз относительно земли.
Имеются методы измерения сопротивления изоляции в распределительных сетях 6-35 кВ, где предусмотрен непрерывный режим проверки изоляции с выходом проверяемых значений на сигнал. В рассмотренных выше схемах в качестве проверяемого параметра принималось изменение тока утечки, емкости сети, появление напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей.
К другой группе проверки изоляции в распределительных сетях 10-35 кВ относятся устройства и методы
проверки появления частичных разрядов (ЧР) дефектных изоляторов или электрооборудования.
Использовались схемы, состоящие из колебательного контура, усилителя, выпрямителя и гальванометра постоянного тока [5]. Колебательный контур через емкость включается параллельно исследуемому объекту. При появлении в исследуемом объекте частичных разрядов возникают высокочастотные колебания, возбуждающие контур индикатора. В цепи гальванометра появляется ток и по отклонению стрелки гальванометра можно судить о появлении частичных разрядов в испытуемом объекте.
В ранних исследованиях были предприняты попытки непрерывной проверки состояния изоляции распределительных линий 10 кВ, отходящих от районных подстанций 10-35 кВ. Схема сигнализатора дефектной изоляции линий 10 кВ состоит из разделительного высоковольтного конденсатора, заземляющего дросселя, подключенного к сборным шинам 10 кВ подстанций, которые принимают высоковольтные колебания и после последующей обработки выдают сигнал на стрелочный указательный прибор или на блок-сигнализатор. Указанный сигнализатор не нашел широкого применения из-за ограниченных функциональных возможностей. Были разработаны приборы с осциллографическим индикатором частичных разрядов. Прибор обеспечивает измерение в широко-
Структура методов оценки состояния изоляции сельских распределительных сетей 10-35 кВ
полосном и узкополосом диапазонах частот при индикации наибольшего значения зарядов импульсов и средней частоты их следования. Для индикации величин ЧР используются осциллограф, а также вольтметр пиковых значений и индикатор-измеритель средней частоты следования импульсов.
Был рассмотрен вопрос применения осциллографа для отыскания источника интенсивных помех на подстанции и линии. Предполагалось, что с помощью осциллографа можно измерить амплитуду, а по последней величине узнать дальность расположения источника разряда. Однако применение осциллографов в качестве индикаторов ЧР также не нашло широкого применения по следующим причинам:
1. Трудности расшифровки осциллограмм на разных фазах процесса при широком изменении амплитуды регистрируемых величин.
2. Низкое качество записи.
3. Отсутствие привязки к средствам противоава-рийной автоматики.
Вопросы организации системы технической диагностики изоляции сельских распределительных сетей 10-35 кВ, под которой понимается решение задач определения работоспособности, поиска дефектов и прогнозирования состояния изоляции и элементов сетей, в отечественной технической литературе пока освещены недостаточно полно, имеются отдельные публикации по данному вопросу, характеризующие состояние ранней диагностики повреждения оборудования и сетей.
Изучение особенностей СРС и факторов, определяющих их надежность, показало, что повышение надежности электроснабжения сельских потребителей можно достигнуть повышением надежности ВЛ 10-35 кВ.
В настоящее время разрабатываются устройства регистрации ЧР высоковольтного оборудования с подключением в измерительную цепь ПЭВМ для регистрации, расчета интенсивности ЧР [6].
Однако вопросы организации системы ТД СРС 10-35 кВ, под которой понимается решение задач определения работоспособности, поиска дефектов и прогнозирования состояния изоляции сетей и электрооборудования (ЭО), пока находятся в стадии разработки и наиболее полно на сегодняшний день отражены в [7].
ЛИТЕРАТУРА
1. Рыбаков Л.М., Соловьев Д.Г., Шумелева Е.С. Анализ повреждений распределительных сетей 10 кВ // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2003. - № 1. - С. 25-27.
2. Рыбаков Л.М. Прогнозирование безотказности работы сельских распределительных электрических сетей 10 кВ // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2004. - № 7. - С. 18-19.
3. Рыбаков Л.М., Столяров С.В., КотиковВ.И. Анализ технического состояния распределительных сетей 10-35 кВ. / Сб. науч. ст. междунар. межвуз. шк.-семинара «Методы и средства технической диагностики»: Вып. XVII. - Йошкар-Ола, 2000. - С. 140-146.
4. Дударев А.Е. Профилактические испытания изоляции сетей под нагрузкой методом искусственного создания перенапряжений // Электричество. - 1978. - № 8. - С. 70-72.
5. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 240 с.
6. Рыбаков Л.М., Васюнин В.С., Соловьев Д.Г. Идентификация дефектов в штыревой изоляции с использованием амплитудно-фазовых диаграмм // Электричество, 2004. - № 11. - С. 16-24.
7. Рыбаков Л.М. Методы и средства обеспечения работоспособности электрических распределительных сетей 10 кВ: Моногр. -М.: Энергоатомиздат, 2004. - 421 с.
