CC BY
29
УДК 621.311.001.57, 621.316.1
ФИЛЬТРОВЫЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 6-35 КВ
Д.А. Глухов1, Э.Ф. Хакимзянов2, Г.Г. Угаров3, Р.Г. Мустафин2
1Филиал АО «СО ЕЭС» Саратовское РДУ, г. Саратов, Россия 2Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия 3Камышинский технологический институт, филиал Волгоградского государственного технического университета, г. Камышин, Россия
Резюме: В статье изложены результаты исследований по разработке методики комплексного мониторинга состояния изоляции ВЛ 6-35 кВ путем оценки напряжения нулевой последовательности на шинах энергообъектов. Приведены результаты моделирования частного случая вариации схемы электроснабжения в распределительной сети.
Ключевые слова: мониторинг, изоляция, ток утечки, напряжение нулевой последовательности, фильтрация.
FILTER MONITORING OF THE CONDITION OF ISOLATION OF AIR-LINES OF 6-35 KV
D. Glukhov1, E. Khakimzyanov2, G. Ugarov3, R. Mustafin2
1System Operator of the United Power System, Saratov 2Kazan state power university, Kazan 3Kamyshin Institute of Technology, Kamyshin
Abstract: In article results of researches on development of a technique of complex monitoring of a condition of isolation of VL of 6-35 kV by assessment of tension of the zero sequence on tires of power facilities are stated. Results of modeling of a special case of a variation of the scheme of power supply are given in distributive network.
Keywords: monitoring, isolation, leak current, tension of the zero sequence, filtration. Введение
Проблема мониторинга состояния изоляции воздушных линий (ВЛ) с изолированной нейтралью, коими являются ВЛ 6-35 кВ, всегда была актуальной. На сегодняшний день существуют методы локального мониторинга, в частности мониторинга по току утечки. Однако, комплексных методов оценки состояния изоляции на сегодняшний день практически не существует. Проблема усугубляется низким уровнем финансирования исследований в данной области, а также нерентабельностью серьезных модернизаций силового и измерительного оборудования рассматриваемого класса напряжения.
В сложившихся условиях разрабатываемые методы мониторинга должны базироваться на имеющемся стандартном оснащении подстанций и сетей без серьезной модернизации объектов. Таким образом, проводимые исследования направлены на анализ оценки изоляции ВЛ 6-35 кВ путем оценки напряжения нулевой последовательности на шинах энергообъектов, а также на разработку на основе полученных результатов методики непрерывного контроля изоляции ВЛ.
33
1. Актуальность проблемы
Проблема отказов ВЛ на сегодня является актуальной [1]. Ей посвящено много научных публикаций отечественных и зарубежных исследователей [2-7]. Анализ научной литературы позволяет выделить основные тезисы указанной проблемы:
1) на ВЛ приходится основная доля отказов электрооборудования (ЭО);
2) из общей протяженности ВЛ всех классов напряжений наибольшая доля приходится на ВЛ 6-35 кВ;
3) основное количество отказов ВЛ связано с повреждением изоляции и с климатическими воздействиями [8];
4) более половины (51%) от общего числа ВЛ в распределительных сетях находится в эксплуатации уже более 35 лет [2; 9].
В таблицу сведена статистика интенсивности отказов ВЛ за период многолетних наблюдений [4-7], демонстрирующая остроту проблемы, присущей всем странам мира.
Основной причиной повреждений на ВЛ является старение ее изоляции. Для устранения данного фактора существует два основных метода, направленных дополнительно для повышения надежности всей сети:
1) модернизация;
2) поддержание высокого уровня остаточного ресурса.
Первый метод несомненно является наиболее приоритетным в условиях высокого уровня износа, но, в то же время, он является и наиболее затратным, что не всегда ставит его на первое место. Второй метод заключается в формировании и использовании в процессе эксплуатации комплекса организационных и технических мероприятий, направленных на повышение срока службы ВЛ.
Таблица
Показатели интенсивности отказов ВЛ по странам мира_
ином , кВ Усредненные значения отказов X, на 100 км год 1
Россия/ СССР Великобритан ия Япония США Германия/ ФРГ Австрия Канада
ми н мак с мин макс ми н мак с ми мак н с ми н мак с ми мак н с ми мак н с
<1 10 30 н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д.
(110] 2 20 9,1 16,8 3 7,8 7,8 6,96 3
(1020] 1 2,5 8,7 11,5 3 10, 7 10,7 6,25 3
(2035] 0,5 2 4,3 4,8 4,1 9 8,74 3 3 6,69
(3577] отсутств. 3,7 4,8 2,0 9 4,32 0,2 1,8 1,8 2,53 0,2
(77154] 0,5 2 н.д. 0,5 2 1,64 0,3 1 6 1,28 0,3
(154 240] 0,2 5 0,5 0,3 0,98 0,227 0,5 3,2 0,53 0,178
(240 300] отсутств. 0,291 н.д. н.д. 0,14
(300 0,2 0,8 н.д. 0,536 2,1 2,1 н.д.
400]
(400 500] 0,1 5 0,4 н.д. н.д.
(500 750] 0,0 5 0,1
Основные мероприятия, направленные на поддержание высокого уровня остаточного ресурса:
1) применение системы планово-предупредительных ремонтов (ППР);
2) диагностика состояния элементов ВЛ;
3)теоретическое прогнозирование технического состояния ВЛ на основе вероятностно-статистического анализа.
Применение системы ППР является высокоэффективным средством поддержания на нормируемом уровне остаточного ресурса. Однако, указанная система подразумевает высокие затраты, поскольку алгоритм проведения ремонтов составлен с применением законов «жесткой логики», а это значит, что ВЛ подвержены периодическим капитальным, средним и текущим ремонтам без учета условий эксплуатации и остаточного ресурса. Это подразумевает высокие затраты, которых можно избежать, проводя ремонты исходя из фактического состояния ВЛ, определенного на основе диагностических данных, прогнозных данных, а также анализа полученных результатов с использованием положений теории рисков, теории принятия решений, а также экономической эффективности.
На сегодняшний день основными методами диагностики состояния изоляции ВЛ являются:
- визуальный осмотр;
- тепловизионный контроль;
- рентгенографическая диагностика;
- ультрафиолетовая диагностика;
- периодические высоковольтные испытания изоляции;
- непрерывный мониторинг посредством измерения токов утечки.
Несомненно, все из перечисленных мероприятий являются локальными методами обследования состояния изоляции, к которому относится и мониторинг тока утечки, однако в отличие от остальных методов процесс утечки является непрерывным, его анализ может быть автоматизирован [3].
2. Ток утечки как диагностический параметр
Наше видение решения задачи оценки состояния изоляции заключается в аппроксимации зависимости полного тока утечки от суммарной активной составляющей сопротивления изоляции, поскольку в первом приближении емкостной составляющей сопротивления изоляции можно пренебречь. Причина такого приближения вполне ясна, поскольку активная составляющая сопротивления пренебрежимо велика для новой и чистой изоляции, а для ухудшенной изоляции тенденция уже сводится к ярко выраженному её уменьшению. Такое положение находит свое место в [10], а также в одном из методов диагностики изоляционных свойств трансформаторного масла - измерении тангенса угла диэлектрических потерь. Угол диэлектрических потерь является как раз тем самым параметром, который указывает на тенденцию увеличения активной составляющей сопротивления изоляции, а, следовательно, и потерь активной мощности [11].
Стоит также отметить, что путь прохождения тока утечки напрямую зависит от способа заземления нейтрали силового трансформатора (СТ), питающего ВЛ. Для ВЛ с заземленной нейтралью указанный ток протекает по контуру фаза-земля-нейтраль,
имеющему наименьшее сопротивление, и замыкается в точке соединения обмоток силового трансформатора. Для ВЛ с изолированной нейтралью [12] указанный ток утечки протекает по контуру, создаваемому емкостной проводимостью фазных проводов путем фаза-земля-фаза (рис.1). Следовательно, предельным током утечки для ВЛ с изолированной нейтралью будет являться ток металлического однофазного замыкания, а для ВЛ с изолированной нейтралью - ток металлического замыкания фазы на землю.
Рис. 1. Принципиальная схема простого замыкания на землю А) - схема металлического замыкания; Б) - упрощённая схема замыкания через сопротивление
3. Косвенная оценка тока утечки
При моделировании тока утечки необходимо стандартную Т-образную схему замещения ВЛ дополнить регулируемой поперечной проводимостью. Емкостные сопротивления элементов схемы замещения ВЛ значительно превышают продольные индуктивные и активные сопротивления, что позволяет при определении тока простого замыкания на землю пренебречь последними и, следовательно, считать, что величина этого тока
практически не зависит от места замыкания в рассматриваемой электрически связанной сети. Кроме того, так как этот ток относительно мал, при его нахождении можно считать, что напряжение источника сохраняется неизменным [12]. При таких допущениях ток в месте замыкания на землю через сопротивление гп будет:
I у = . (1)
3гп - ]ХС01
где Iу - ток утечки; Хсо! - результирующее емкостное сопротивление нулевой последовательности (НП) всех элементов (практически только линий и кабелей), электрически связанных с точкой замыкания; иф Ср - среднее фазное напряжение той ступени,
где рассматривается замыкание на землю; гп - активное сопротивление изоляции.
Для симметричных составляющих напряжений в точке к' (непосредственно провод) (рис. 1,б) имеем:
ик'А1 = и ф .Ср, (2)
ик'А2 = 0 (3)
ик' 0 = ]ХС0* и ф.Ср. , (4)
3гп - ]ХС0£ р
где и к' А1 - напряжение прямой последовательности в точке к'; и к'А2 - напряжение обратной последовательности в точке к'; и к '0 - напряжение НП в точке к'.
Составляющая тока и напряжения обратной последовательности в контуре тока утечки фаза-земля-фаза в сетях с изолированной нейтралью отсутствует[12].
На рис. 2 показаны векторные диаграммы напряжений и токов в месте простого замыкания на землю фазы А. Они построены в соответствии с анализом простого замыкания на землю через сопротивление [12]. С изменением сопротивления концы векторов токов и напряжений скользят по дугам соответствующих окружностей, как показано пунктиром. Треугольник линейных напряжений остается без изменений и лишь перемещается параллельно самому себе в соответствии с перемещением его центра тяжести, положение которого определяется напряжением нулевой последовательности (НП).
Как видно из рис. 2, наиболее точными индикаторами увеличения тока утечки являются токи и напряжения НП, а, следовательно, фильтрация и анализ этих величин может стать измеряемым параметром для мониторинга состояния изоляции.
Поскольку измерение тока НП в сетях с изолированной нейтралью влечет за собой серьезную модернизацию силового и измерительного оборудования, рассмотрим возможность комплексного мониторинга изоляции ВЛ на шинах энергообъекта путем фильтрации и оценки напряжения НП.
Для начала выведем зависимость напряжения НП от тока утечки. Для этого выразим значения знаменателей в (1) и (4) путем преобразования указанных выражений и приравняем правые части полученных равенств. После сокращения иф Ср в каждой части
имеем:
3ик' 0 = ]ХС 0! 1у. (5)
Учитывая, что Хс о! является неизменной величиной, очевидна прямолинейная зависимость 3^к 'о от I у .
Рис. 2. Векторные диаграммы при простом замыкании фазы на землю а) - напряжений; б) - токов
4. Фильтрация напряжения нулевой последовательности
В качестве фильтра напряжения НП можно использовать шинный трансформатор напряжения (ТН). В ТН имеется две вторичные обмотки, первая из которых соединяется по схеме звезда с заземлением вывода обмотки фазы В. Вторая обмотка, именуемая иногда дополнительной, соединяется по схеме разомкнутого треугольника, являющегося фильтром напряжения НП (рис. 3)
Рис. 3. Схема соединения первичной и вторичных обмоток трансформатора напряжения а) схема соединения; б) - векторная диаграмма напряжений во вторичных обмотках
Напряжение на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме
напряжений вторичных обмоток. Так как сумма трех фазных напряжений равна утроенному
напряжению НП [13], выражая вторичные напряжения через первичные, получаем:
и л + ия + и г зип ир = иА иВ иС = =0 , (6)
и р Ки Ки К)
где и р - напряжение на зажимах разомкнутого треугольника; и А, иВ , иС - первичные значения фазных напряжений; Ки - коэффициент трансформации ТН.
В нормальных условиях напряжения фаз симметричны, ир =0. При ухудшении изоляции возникает несимметрия, обусловленная увеличением комплексного тока утечки через сопротивление в месте замыкания на землю гп, и на зажимах разомкнутого
треугольника ТН появляется напряжение ир = 3и0 / Ки. Напряжения прямой и обратной
последовательностей образуют симметричные звезды и поэтому при суммировании в цепи разомкнутого треугольника всегда дают нуль на его зажимах.
Необходимым условием работы схемы в качестве фильтра НП является заземление нейтрали первичной обмотки ТН. При использовании однофазных ТН с двумя вторичными обмотками, одна из них традиционно соединяется по схеме звезды, а вторая - по схеме разомкнутого треугольника.
Исходя из (5) и (6) запишем итоговую зависимость напряжения на зажимах фильтра НП от тока утечки:
]'ХС 0!1 у
и р="
Ки
(7)
5. Моделирование процесса ухудшения изоляции в сетях 6-35 кВ
С целью анализа процессов произведено моделирование ухудшения изоляции ВЛ с изолированной нейтралью в среде имитационного моделирования ЫайаЪ БтиНпк. В качестве модели принята типовая схема электроснабжения предприятия сельскохозяйственного назначения (рис. 4).
Рис. 4. Принципиальная схема объекта моделирования
В качестве эквивалента энергосистемы принята питающая сеть 110 кВ с глухозаземленной нейтралью. В качестве питающей сети предприятия принята воздушная линия 6 кВ с изолированной нейтралью. В качестве понижающего трансформатора принята модель силового трансформатора 6,3 МВА 115/6,6 кВ со схемой соединения обмоток YglD11. В качестве нагрузки принята модель обобщенной Я, Ь, С нагрузки. Стоит отметить, что при моделировании рассмотрен частный случай, когда ВЛ 6 кВ, отходящая от шин распределительного устройства (РУ) является одиночной.
Моделирование ухудшения изоляции выполнено при помощи имитации замыкания фазы ВЛ 6 кВ на землю через переходное сопротивление. Контроль тока утечки сформирован путем подключения измерителя тока в контуре фаза-земля. Фильтр напряжения НП смоделирован посредством соединения трех однофазных трехобмоточных трансформаторов по типовой схеме. Первичная обмотка - Yg, основная вторичная - Y с заземлением фазы В, дополнительная - по схеме разомкнутого треугольника с заземлением вывода «К». В качестве исходных приняты параметры однофазных трансформаторов ЗНОЛ.06-6м 6000/100/100 В. Полная модель показана на рис. 5.
Рис. 5. Исследуемая модель
Для анализа полученных осциллограмм использовалась специализированная программа KIWI-Viewer, в том числе при помощи указанной программы производился перевод амплитудных значений тока утечки и напряжения нулевой последовательности в действующие значения (Рис. 6).
Рис. 6. Среда анализа осциллограмм на основе KIWI-Viewer
Была проведена серия моделирований, в ходе которых менялось значение переходного сопротивления замыкания фазы на землю с величины 10 МОм до величины 1 кОм. Моделирование замыкания производилось динамически с временем 0,3 сек - время введения в схему замыкания, 0,4 сек. - вывод из схемы цепи замыкания, 0,6 сек. -
повторный ввод в схему цепи замыкания. Фиксация квазиустановившигося значения производилась на интервале времени 1 сек. На рис.7 изображена осциллограмма напряжения на зажимах разомкнутого треугольника ТН (ЗЛ^) при введении в схему сопротивления фаза-земля величиной 8 МОм по указанному алгоритму.
Рис. 7. Осциллограмма 3Л0 при кратковременном введении в схему сопротивления 8 МОм
Дискретность изменения сопротивления выбрана преднамеренно для визуализации процесса изменения ЗЛ^ непосредственно с момента имитации замыкания. Как показано
на рис. 7, в момент замыкания фазы на землю даже через большое сопротивление, на выводах фильтра напряжения НП появляется напряжение. На основании полученных в ходе опытов данных построены графики зависимостей тока утечки и ЗЛ^ от проводимости
изоляции (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость тока утечки и 3Л0 от проводимости изоляции
В ходе аппроксимации полученных результатов с применением пакета анализа MS Excel сформирована математическая модель зависимости 3Uq от сопротивления изоляции:
-0 752 1014,9 3Un = 1014.9r =-^. (8)
0 12^94
Л/ г
Адекватность полученной математической модели (8) оценена коэффициентом
2
множественной детерминации Я = 0,9296, что является высочайшим уровнем достоверности.
Выводы
1. Обоснована актуальность исследований в области мониторинга состояния изоляции ВЛ 6-35 кВ;
2. Сформирована имитационная модель, позволяющая детально исследовать различные варианты мониторинга состояния изоляции ВЛ;
3. В процессе моделирования подтверждена гипотеза о возможности мониторинга состояния изоляции ВЛ 6-35 кВ путем оценки напряжения нулевой последовательности на шинах энергообъектов;
4. Результаты моделирования подтверждают прямолинейную зависимость изменения 3^0 от изменения тока утечки, а также экспоненциальную зависимость 3^ и тока утечки от сопротивления изоляции;
5. Проведена аппроксимация зависимости 3П 0 от сопротивления изоляции с уровнем
2
достоверности Я = 0,9296 .
Литература
1. Глухов Д.А. Актуальность прогнозирования долговечности и безотказности электросетевого комплекса сельских электрических сетей/ Д.А. Глухов, А.М. Ниязов// Аграрная наука -инновационному развитию АПК в современных условиях: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Том II: ФГБОУ ВПО ИжГСХА, Ижевск, 2013 г. 436 с.
2. Титов, Д.А. К вопросу диагностики линейной изоляции/ Д.А. Титов, К.В. Волхов, А.А. Кудрявцев, В.В. Котоливцев, С.А. Петренко// Электроэнергия. Передача и рапределение, 2017. № 6 (45). С. 68-72.
3. Орлович А.Е. Автоматизированный электрический контроль состояния высоковольтных изоляторов под напряжением/ А.Е. Орлович, С.В. Серебренников, А.И. Сириков// Техническая диагностика и неразрушающий контроль, 2011. № 1. С. 48-53.
4. Гук Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок. Л.: Энергоатомиздат, 1988. С. 56-58.
5. Эдельман В.И. Оценка надежности энергосистем за рубежом. М.: Информэнерго, 1979. С 34-42.
6. Ли Венюань. Вероятностное планирование системы передачи электроэнергии / Венюань Ли; перевод с английского М.И. Успенского, Н.А. Манова. Москва: [б.и.], 2016. 306 с.
7. Элементы и модели теории вероятностей и математической статистики и надежность электроэнергетических систем / Кавченков В. П. Смоленск: Универсум, 2015. 178 с.
8. Андреев Д.А. Совершенствование методов расчета эксплуатационной надежности электрооборудования электростанций и подстанций. Иваново: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2006. 23 с.
9. Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе» (протокол от 22.02.2017 № 252) Москва 2017 г. С. 196.
10. Мерхалев С.Д. Изоляция линий и подстанций в районах с загрязненной атмосферой/ С.Д. Мерхалев, Е.А. Соломоник // Л.: «Энергия», 1973. 155 с.
11. СТО 34.01-23.1-001-2017 Объем и нормы испытания электрооборудования. ПАО Россети, 2017. 259 с.
12. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. М.: Энергия, 1970. 513 с.
13. Дымков А.М. Трансформаторы напряжения/ А.М. Дымков, В.М. Кибель, Ю.В. Тишенин. М.: Энергия, 1975. 200 с.
Авторы публикации
Глухов Дмитрий Александрович - ведущий специалист отдела устойчивости и противоаварийной автоматики службы электрических режимов филиала АО «СО ЕЭС» Саратовское РДУ.
Хакимзянов Эльмир Фердинатович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» Казанский государственный энергетический университет.
Угаров Геннадий Григорьевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», «Камышинский технологический институт» филиал Волгоградский государственный технический университет.
Мустафин Рамиль Гамилович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» Казанский государственный энергетический университет.
References
1. Glukhov D.A. Aktualnost prognzirovaniya dolgovechnosti i bezotkaznosti electrosetevogo kompleksa sel'skikh electricheskikh setei / D.A. Glukhov, A.M. Niyazov//Agrarian science - to innovative development of agrarian and industrial complex in modern conditions: materials of the All-Russian scientific and practical conference. Volume II: Izhevsk, 2013 436 P.
2. Titov D.A. K voprosu diagnostiki lineinoi isolyatsii / D.A. Titov, K.V. Volkhov, A.A. Kudryavtsev, V.V. Kotolivtsev, S.A. Petrenko // Electric power. Transfer and rapredeleniye, 2017. No. 6 (45). P. 68-72.
3. Orlovich A.E. Avtomatizirovanniy electricheskii kontrol' sostoyaniya vysokovoltnykh izolyatorov pod napryazheniem / A.E. Orlovich, S.V. Serebrennikov, A.I. Sirikov // Technical diagnostics and nondestructive control, 2011. No. 1. P. 48-53.
4. Guk Yu.B. Analiz nadezhnosti elektroenergeticheskikh ustanovok. L.: Energoatomizdat, 1988. P. 56-58.
5. Edelman V.I. Otsenka nadezhnosti energosistem za rubezhom. M.: Information power, 1979. P. 34-42.
6. Li Wengyuan. Veroyatnostnoe planirovanie sistemy peredachi electroenergii / Wengyuan Li; the translation from the English M.I. Uspensky, N.A. Manov. Moscow, 2016. 306 P.
7. Elementy i modeli teorii veroyatnostei i matematicheskoi statistiki i nadezhnost' electroenergeticheskikh sistem / Kavchenkov V.P. Smolensk: Universum, 2015. 178 P..
8. Andreyev D.A. Sovershenstvovanie metodov rascheta ekspluatatsionnoi nadezhnosti electrooborudovaniya electrostantsii i podstantsii. Ivanovo: the abstract of the thesis for a degree of Candidate of Technical Sciences, 2006. 23 P.
9. Position of Rosseti "About uniform technical policy in an electronetwork complex" (the protocol from 2/22/2017 No. 252) Moscow 2017. 196 P.
10. Merkhalev S.D. Izolyatsiya linii i podstantsii v rayonakh s zagryaznennoi atmospheroi / S.D. Merkhalev, E.A. Solomonik. L.: "Energy", 1973. 155 P.
11. STO 34.01-23.1-001-2017 Volume and norms of test of electric equipment. Rosseti, 2017. 259 P.
12. Ulyanov S.A. Electromagnetic transition processes. M.: Energy, 1970. 513 p.
13. Dymkov, A.M. Tension transformers / A.M. Dymkov, V.M. Kibel, Yu.V. Tishenin. M.: Energy, 1975. 200 p.
Authors of the publication
Dmitry A. Glukhov - the leading expert of department of stability and antiemergency automatic equipment of service of the electric modes of System Operator of the United Power System, Saratov branch.
Elmir F. Khakimzyanov - Candidate of Technical Sciences, the associate professor "Relay protection and automation of electrical power systems" «The Kazan state power university».
Gennady G. Ugarov - Doctor of Engineering, professor of department "Power Supply of the Industrial Enterprises", "Kamyshin Institute of Technology" branch "Volgograd state technical university".
Ramil G. Mustafin - candidate of physical and mathematical sciences, the associate professor "Relay protection and automation of electrical power systems" "The Kazan state power university".
Дата поступления 21.02.2018.
