CC BY
148
УДК 621.315.21
ДИАГНОСТИКА КАБЕЛЬНЫХ
ЛИНИЙ МЕТОДОМ МНОГОПАРАМЕТРОВОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ
Ж. да К. НОВИКОВА ФРЕЙРЕ ШАВИЕР, магистр кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
М. Г. БАШИРОВ, д. т. н., проф., зав. кафедрой электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
И.В. ПРАХОВ, к.т.н., доцент кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
Филиал ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате (Россия, 453250, Республика Башкортостан, г. Салават, ул. Губкина, д. 22А/67). E-mail: priwan@yandex.ru
В статье рассмотрен неразрушающий метод количественной оценки технического состояния кабельных линий 6 кВ. Оценка технического состояния кабельных линий получена благодаря построению образов и совокупности диагностических параметров, представленных в виде интегрального критерия. Данный критерий позволяет принимать решения о правильной организации технического обслуживания, ремонта и эксплуатации кабельных линий.
Ключевые слова: силовой кабель, экспериментальная установка, образ, диагностический параметр, техническое состояние, интегральный критерий, алгоритм.
Общая протяженность электрических сетей 0,4-110 кВ в России составляет более 3 млн км, а протяженность кабельных сетей напряжением 3-20 кВ составляет примерно 250 тыс. км. Аварии в сетях 6-10 кВ составляют около 70% всех нарушений электроснабжения потребителей. Моральный и физический износ кабельных линий (КЛ) 6-10 кВ в системах электроснабжения составляет 40-80%.
На рис. 1 представлена статистика аварийных ситуаций на предприятиях нефтехимической отрасли по данным ОАО «ФСК ЕЭС» и службы эксплуатации КЛ за период с 2003 по 2014 г.
Основную долю аварийности электрооборудования составляют неисправности в кабельных линиях, составляющие около 63%, неисправности электродвигателей различных классов напряжения - 24%. Также возникают неисправности в трансформаторах (около 8%) и прочие виды неисправностей, не связанные с вышеперечисленными (5%).
Анализ статистических данных службы эксплуатации кабельных линий 6 кВ показывает, что 42% пробоев происходит под нагрузкой, пробои при испытании - 37% и порывы при вскрытии грунта - 21% (данные представлены на рис. 2).
Бесперебойная работа системы электроснабжения промышленных предприятий невозможна без высокой надежности силовых кабельных линий. Для оценки технического состояния кабельных линий необходимо применение
I
Рис. 1. Аварийность электрооборудования на нефтехимических предприятиях (данные ОАО «ФСК ЕЭС» за период с 2003 по 2014 г.)
Электродвигатели , 24%
Трансформаторы
8%
i
5%
Г л
л
Кабельные линии 63%
I
Рис. 2. Статистические данные пробоев кабельных линий 6 кВ
(данные службы эксплуатации КЛ за период с 2005 по 2014 г.)
неразрушающего метода контроля, который позволит классифицировать кабельные линии по их остаточному ресурсу и создать алгоритм постепенной замены изношенных кабелей. Следовательно, данный метод контроля позволит увеличить срок службы кабельных линий сверх нормативных сроков и с большей экономией обеспечить их техническое обслуживание и ремонт. При переходе на систему контроля и ремонта силовых кабельных линий по их техническому состоянию может быть получен существенный экономический эффект за счет снижения количества аварий на кабельных линиях и, соответственно, затрат на их устранение.
Предлагается метод многопараметровой динамической количественной оценки технического состояния кабельной линии 6 кВ. В филиале ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате была разработана экспериментальная установка, структурная схема которой представлена на рис. 3.
Для снятия экспериментальных данных на вход кабеля подается единичный ступенчатый сигнал прямоугольной формы, на выходе кабеля осциллографом (или осциллоскопом) регистрируется кривая переходного процесса.
Затем по переходной кривой определяем передаточную функцию Ш(р), из которой формальной заменой р на получаем обобщенную частотную характеристику (1) [1].
Совместно с генератором и осциллографом исполь зуется прибор Е7-22, предназначенный для автомати ческого измерения емкости, тангенса угла диэлектриче ских потерь, добротности и сопротивления на различ ных частотах:
| Рис. 3. Структурная схема экспериментальной установки
I Рис. 4. Корневая оценка технического состояния КЛ
1
-0,0
*
• ■
05 # -0,С 04 и -0,0 03 -0,0 02 -0,0 01 0
*
2000
1500
1000
500
0
-500 -1000 -1500 -2000
• Исправный кабель ■ Деформированный ■к Увлажненный
W (/ю) =
к ■ (1 - Т2
■ю2)
(1 - т 2ю2)2+т2 ■
-+/
к ■ Т1 ■
(1 - Т 2ю2)2 + Т2
(1)
Передаточная функция W(/ю) позволяет охарактеризовать все свойства исследуемой системы. Только необходимо установить, устойчива ли система. Ответ на этот вопрос дает применение критериев устойчивости, но они требуют выполнения некоторых действий. Для этого производим поиск корней полинома.
Корни полинома, как и все комплексные числа, удобно представлять в виде точек на комплексной плоскости.
Существует достаточно много методов оценки устойчивости характеристического уравнения, один из них -метод распределения корней.
Этот метод основан на изучении распределения корней характеристического уравнения системы на комплексной плоскости, то есть существует область на плоскости, внутри которой располагаются корни характеристического уравнения, эту область определяет степень устойчивости. В геометрическом представлении степень устойчивости равна расстоянию от мнимой оси до ближайшего к ней корня характеристического уравнения устойчивой системы [2].
Техническое состояние КЛ и ее остаточного ресурса определяется по корневой оценке (расположение корней на плоскости).
Изобразим корневую оценку технического состояния кабельных линий с различными корнями на общем графике (рис. 4).
По графику видно, что чем больше повреждений имеет кабельная линия, тем ближе корни к мнимой оси, то есть они приближаются к границе устойчивости. Это означает, что чем ближе к границе устойчивости, тем меньше становится остаточный ресурс КЛ, и можно определить
ее настоящее техническое состояние, а также запас устойчивости.
Используя передаточную функцию и нормированные значения основных электрических параметров кабеля, можно найти область О расположения корней характеристического уравнения на комплексной плоскости, которая соответствует исправному состоянию кабеля. В результате сопоставления координат корней характеристического уравнения, полученных экспериментально, с границами области О делается заключение о состоянии кабельной линии. Для количественной оценки уровня деградации диэлектрических свойств изоляции кабеля использован метрический метод распознавания образов. Мерой уровня деградации служит расстояние между текущими значениями координат корней характеристического уравнения и координатами корней, соответствующих либо исходному, либо предельному состоянию кабеля (параметр О).
Область О исправного кабеля может быть выражена формулой (2):
| Рис. 5. Лепестковая диаграмма оценки технического состояния кабеля
й,
норм
Фкр < arctg №
< Фном;
хКр + Ук2р <а/X2 + У2 <
(2)
+ У2
ном ном
где X - действительная часть комплексного корня характеристического уравнения передаточной функции; У -мнимая часть комплексного корня характеристического уравнения передаточной функции.
В зависимости от расположения корней передаточной функции на комплексной плоскости состояние кабельной линии по аналогии с методом вибродиагностики машинных агрегатов подразделяется на три подгруппы: нормальное, удовлетворительное и неудовлетворительное, которым соответствуют следующие состояния повре-жденности: «повреждение не обнаружено», «повреждение обнаружено», «обнаружено критическое повреждение». Состояние «повреждение не обнаружено» соответствует расположению корней передаточной функции в области О. Расположение корней передаточной функции, не принадлежащее области О, соответствует состоянию «обнаружено критическое повреждение» (100%-й уровень поврежденности согласно ГОСТ 27.002-89, при котором дальнейшая эксплуатация кабеля недопустима). Порог состояния «повреждение обнаружено» составляет 20% от уровня состояния «обнаружено критическое повреждение» и соответствует расположению корней передаточной функции в области Оуд (3).
йуд =
Фкр < arctg
<К + 0,2 • (Фном -Фкр)];
кр
кр
2 + У2 <
- X,
|[хкр + 0, 2 • (Хном
+ {Укр + 0,2 • (Уном
) ]2+ - Укр)]2
(3)
Параметр О применяется для определения расчетных значений состояния кабеля в программном обеспечении, а для визуализации текущего технического состояния кабельной линии на мониторе компьютера или операторской панели используется метод многопараметро-вой динамической количественной оценки технического состояния, представленный в виде лепестковой диаграммы на рис. 5.
Данная диаграмма позволяет оценивать совокупность значений диагностических параметров.
Предлагается отображать состояние кабельной линии на основе результатов экспериментальных данных в виде шестилепестковой диаграммы, где лучами будут значения сопротивления изоляции, добротности, емкости, тангенса угла диэлектрических потерь, действительная и мнимая части корней характеристического уравнения передаточной функции. Отложив данные диагностические параметры от центра и соединив полученные при этом точки соседних радиальных лучей отрезками прямых, получаем образ состояния диагностируемого объекта.
Нанеся на лепестковую диаграмму параметры исправного кабеля, получаем ответ о бездефектном состоянии объекта, то есть «нормальное состояние».
Если образ, описывающий диагностируемый объект, выходит за пределы области, ограниченной образом «нормальное» хотя бы по одному значению параметра, то предполагается наличие развивающегося дефекта или какой-либо неисправности [3].
Оценку технического состояния кабельных линий (муфт) представим в виде интегрального критерия оценки технического состояния I, формируемого из совокупности диагностических параметров:
I = %С, 1д8, Ф, Я, О(1т), О(Ре)).
(4)
Формируя интегральный критерий искусственной нейронной сетью из совокупности диагностических параметров, получим выражение
I = г (™]0 + Е • (С/ +Ф8/ /=1
+ Я + О(1т)/ + О(Ре) /))), (5)
где т - одинаковое число входов параллельно действующих линейных элементов; W/0 - пороговый коэффициент; wji -весовой коэффициент /-го входа -го нейрона.
Для обучения искусственных нейронных сетей, предназначенных для определения значений интегрального критерия I, разработан программно-аппаратный комплекс с базой данных, представленный на рис. 6.
В ходе выполнения экспериментальных исследований подтвердился тот факт, что происходит изменение измеряемых величин, была выведена передаточная функция, которая математически описывает состояние кабельной линии, а также может показать ее остаточный ресурс.
Выводы
На основании проведенных исследований был разработан метод многопара-метровой динамической количественной оценки технического состояния КЛ 6 кВ. Для реализации предложенного метода разработан программно-аппаратный комплекс.
В программном комплексе процесс сбора и предварительной обработки данных играет важную роль, поэтому был создан алгоритм принятия решений о техническом состоянии кабеля (рис. 7). В базе данных (хранилище данных программы) информация используется для принятия решений. В модуле принятия решения происходит поиск оптимальных решений и формирование заключений. В процессе или по результатам решения задачи оператор может запросить обоснование хода решения, с этой
| Рис. 6. Структурная схема программно-аппаратного комплекса
| Рис. 7. Алгоритм принятия решений о техническом состоянии кабеля
(начало)
С ^ Q, ^ /норм, 'уд,
л
cosф, О(1т) О^е) Dнорм, Суд
3=
' = ^ tga, Q, к Онорм)
Нет
Состояние -исправное
О,
уд
I
' = *(С, tga, д, к, Суд)
Проверка возможности ремонта
Нет
Состояние -подлежит ремонту
Нет
Продолжение эксплуатации
Оценка уровня деградации
Состояние -неисправное Т ~
Вывод из эксплуатации
Вывод из эксплуатации
Ожидать подтверждения решении
Выдача заключения
3
Нет
Вывод результатов на печать
( Конец )
целью система предоставляет лепестковую диаграмму для визуализации.
Разработанный метод многопараметровой динамической количественной оценки технического состояния КЛ
6 кВ позволяет формировать рекомендации о сроках и приоритете обслуживания кабельных линий на основе оценки их технического состояния с использованием интегральных критериев.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баширов, М.Г. Способ диагностики состояния изоляции кабельных линий / М. Г. Баширов, Д. А. Заварихин, М. А. Миндолин // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. - 157 с.
2. Миронова И.С. Интегральные параметры для оценки технического состояния двигателей электропривода машинных агрегатов нефтегазовых производств // Современные проблемы науки и образования: Электронный научный журнал. - 2011. - № 3 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/97-4667.
3. Давиденко, И.В. Разработка системы многоаспектной оценки технического состояния и обслуживания высоковольтного маслонаполненного электрооборудования: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / И.В. Давиденко. - Екатеринбург: НГТУ, 2009. 45 с.
DIAGNOSTICS OF CABLE LINES BY MULTIPARAMETER DYNAMIC ASSESSMENT
NOVIKOVA FREYRE SHAVIER G D'K, master of the Department Electrical equipment and automation of industrial enterprises
BASHIROV M. G., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head. of the Department Electrical equipment and automation of industrial enterprises
PRAKHOV I. V., Cand. Sci. (Tech.), docent of the Department Electrical equipment and automation of industrial enterprises Branch Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (22А/67, Gubkin St., 453250, Salavat, the Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: priwan@yandex.ru
ABSTRACT
The article describes the method of non-destructive quantitative assessment of the technical state of cable lines 6 kv. Evaluation of the technical state of cable lines obtained through the construction of images and combined diagnostic parameters, presented in the form of an integral criterion. This criterion makes it possible to decide on the proper organization of maintenance, repair and operation of cable lines.
Keywords: power cable, the experimental setup, image, diagnostic parameter, technical condition, the integral criterion, the algorithm.
REFERENCES
1 Bashirov, M.G., Zavarihin D. A., Mindolin M. A. Method for diagnosing a condition of isolation of cable lines. Elektrotekhnologii, elektroprivod i elektrooborudovaniepredpriyatiy [Electrotechnology, power and electrical companies] -Ufa: Izd in UGNTU, 2007. - 157 p.
2 Mironova I. S., Integrated parametres for an estimation of a technical condition of engines of the electric drive of machine units of oil and gas manufactures. Modern problems of science and education: electronic scientific magazine, 2011, no. 3. Available at: http://www.science-education.ru/97-4667.
3 Davydenko I.V. Razrabotka sistemymnogoaspektnoy otsenki tekhnicheskogosostoyaniya iobsluzhivaniya vysokovol'tnogo maslonapolnennogo elektrooborudovaniya. Dokt, Diss. [Development of a multidimensional assessment of technical condition and maintenance of oil-filled high-voltage electrical equipment. Doct. Diss.]. Ekaterinburg Novosibirsk State Technical University, 2009. 45 p.
