CC BY
117
Список литературы
1. Анализ работы хозяйства электрификации и электроснабжения в 2013 г. [Текст]. - М., 2014. - 100 с.
2. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи: Учебник для вузов [Текст] / В. П. Михеев. - М.: Маршрут, 2003. - 416 с.
3. Нормативно-методическая документация по эксплуатации контактной сети и высоковольтных воздушных линий: Справочник. ЦЭ МПС [Текст]. - М.: Транспорт, 2001. - 512 с.
4. Кузнецов, А. А. Разработка технических средств и методики контроля состояния изоляторов контактной сети постоянного тока [Текст] / А. А. Кузнецов, Е. А. Кротенко, А. Ю. Кузьменко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. -№ 4. - С 110 - 116.
5. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: Учебник [Текст] / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.
6. Резевиг, Д. В. Техника высоких напряжений: Учебник [Текст] / Д. В. Резевиг. -М.: Энергия, 1976. - 488 с.
7. Каталог изоляторов для контактной сети и ВЛ электрифицированных железных дорог [Текст]. - М.: Трансиздат, 2000.
References
1. Analiz raboty khoziaistva elektrifikatsii i elektrosnabzheniia v 2013 g. (Analysis of the farm electrification and power supply in 2013). Moskow, 2014, 100 s.
2. Mikheev V. P. Kontaktnye seti i linii elektroperedachi (Contact network and power lines). Moscow: Marshrut, 2003, 416 p.
3. Normativno - metodicheskaia dokumentatsiia po ekspluatatsii kontaktnoi seti i vyso-kovol'tnykh vozdushnykh linii. Spravochnik (Normative - methodical literature concerning the operation of contact network and high-voltage transmission overhead lines. Directory). Moscow: Transport, 2001, 512 p.
4. Kuznetsov A. A., Krotenko E. A., Kuz'menko A. Iu. Development of technical means and methods of monitoring the status of iso-lators catenary DC [Razrabotka tekhnicheskikh sredstv i metodiki kontrolia sostoianiia izo-liatorov kontaktnoi seti postoiannogo toka]. Izvestiia Transsiba -The Trans-Siberian Bulletin, 2012, no. 4. pp 110 - 116.
5. Markvardt K. G. Elektrosnabzhenie elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog (Power supply of electrified railways). Moscow: Transport, 1982, 528 p.
6. Rezevig D. V. Tekhnika vysokikh napriazhenii (High Voltage Equipment). Moscow: Ener-giia, 1976, 488 p.
7. Katalog izoliatorov dlia kontaktnoi seti i VL elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog (Product insulators for overhead lines and contact network of electrified railways). Moscow: Transizdat, 2000.
УДК 621.315.65
Т. А. Несенюк, Б. С. Сергеев, А. П. Сухогузов МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ ВЛ 6 - 10 кВ
В связи с негативными последствиями, вызываемыми неисправностью изоляторов в воздушных линиях 6 -10 кВ, предложено контролировать состояние штыревого изолятора устройством, срабатывающим при прохождении через изолятор тока пробоя. Описана работа устройства для определения дефектов изоляторов. Приведены схемы замещения подключения сигнального устройства к изолятору ВЛ. Рассмотрены основные
процессы, происходящие в системе «изолятор - опора ВЛ» в исправном состоянии и при наличии дефекта с учетом геометрической емкости, тока абсорбции, тока сквозной проводимости, включенных в составляющие поверхностного тока пробоя.
Параметры функционирования воздушных линий (ВЛ) 6 - 10 кВ определяют надежность работы устройств электроснабжения, в том числе участков воздушной линии для питания нетяговых потребителей железнодорожного транспорта, линий продольного электроснабжения и линий СЦБ. Неисправность изоляции ВЛ может привести к значительным экономическим потерям, вызванным недоотпуском потребителям электроэнергии и разрушением элементов системы электроснабжения. Происходит ускоренное старение изоляции, возникают явления феррорезонанса, от которых в сетях 6 - 10 кВ чаще всего повреждаются трансформаторы напряжения и слабонагруженные силовые трансформаторы, работающие в режиме, близком к холостому ходу [ 1].
Однофазные замыкания ВЛ представляют большую опасность для жизни оказавшихся поблизости людей, служат источником электротравм и нередко являются причиной несчастных случаев. На железобетонных опорах при замыкании на землю происходит повреждение бетона. От протекания тока в наиболее нагретых местах плавится арматура, происходит нагревание опоры и грунта. При этом опора оказывается под потенциалом, который создает шаговые напряжения и напряжения прикосновения, опасные для людей и животных.
Для устранения указанных негативных последствий функционирования ВЛ необходимо решение двух основных задач, позволяющих улучшить эксплуатационные показатели железных дорог. Первая из них заключается в необходимости минимизации времени на точное определение места неисправности ВЛ эксплуатационным штатом дистанций электроснабжения и в последующем ее устранении. Существующие методы обнаружения неисправности не дают возможности определить место отказа тех или иных элементов ВЛ, например, с точностью до конкретной опоры линии.
Решение второй задачи предполагает обнаружение предотказного состояния элементов ВЛ, которое потенциально приведет к последующему нарушению функционирования линии электроснабжения. В известных методах диагностики ВЛ такая возможность практически отсутствует.
Значительная часть отказов ВЛ обусловлена неисправностью изоляторов. Можно выделить в основном два вида неисправностей изоляторов: катастрофические (быстрые) и медленные. Первый вид отказов обусловлен, например, пробоем изоляции, в частности, из-за грозового разряда или дефектов материала изолятора. Вторые вызываются постепенным снижением качества изоляции, например, за счет поверхностного загрязнения, образования проводящих дорожек при частичных разрядах и др. Если первый вид неисправностей изоляторов может быть зарегистрирован контрольно-защитными устройствами и системами подстанций, то регистрация вторых практически невозможна. Поверхностное искровое перекрытие может привести к последующему катастрофическому отказу изолятора со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. На рисунке 1 представлены дефекты и характерные процессы в изоляторе, которые могут привести к пробою.
На рисунке 2 приведена обобщенная схема ВЛ участка воздушной линии электропередачи. Здесь в качестве примера показана ВЛ с одной трехфазной линией и с двумя питающими подстанциями (П/С). На протяжении длины линии размещены опоры, условно показанные так: 1, 2,...(# - 1), N. Длина линии Ья может достигать нескольких десятков километров и зависит от многих факторов, в том числе и от вида тяги. В соответствии с этим количество N опор участка дороги может достигать нескольких сотен. Очевидно, что это может привести к значительным затратам времени по поиску отказа изолятора.
Условная схема замещения одной фазы, учитывающая только реактивные параметры рассматриваемой линии, на примере одной фазы приведена на рисунке 3, где Ь0 - удельная индуктивность одного километра линии, С0 - удельная емкость одного километра линии, £ВК -собственная удельная внутренняя индуктивность источника питания Еф.
Изолятор
П/С
Рисунок 1 - Дефекты и процессы в изоляторе
и
А
В
С
П/С
1 2 3 4 N-2 N-1 N
Рисунок 2 - Обобщенная схема высоковольтной воздушной линии 6 - 10 кВ
Ьвн Ьо
Ьо
Еф
Со
Со
Со
Ь0
Со
Ьо
Со
Ьо -ГУУЛ-
Ьв
Еф
1
Рисунок 3 - Условная схема замещения одной фазы воздушной линии
Данная схема замещения актуальна при анализе переходных процессов в линии, например, при пробое или дуговом разряде на изоляторе с образованием однофазного замыкания на землю. В установившемся режиме, в частности, при поверхностном разряде на изоляторе достаточно учитывать свойства источников питания Еф и их внутреннюю индуктивность Ьвн, так как Ьвн » Ь0.
Индикация неисправного состояния каждого изолятора позволит осуществить индивидуальный подход к диагностике с учетом особенностей изготовления, монтажа, эксплуатации и местных внешних воздействующих факторов, при этом увеличится точность нахождения места повреждения до конкретно отказавшего изолятора.
Для контроля состояния изоляторов ВЛ 6 - 10 кВ предложено устройство, принципиальная схема которого приведена на рисунке 4 [2]. При отсутствии устройства ток проходил от ЛЭП 10 кВ через неисправный изолятор на заземленную несущую конструкцию, включающую в себя штырь с траверсой или крюк 10, спуск 6 и заземление 7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: с провода 8 линии электропередачи из-за разности потенциалов между пробитым изолятором 1 и заземленной несущей конструкцией 6 при пробое изолятора начинает протекать ток, который проходит через токопро-водящую пленку 3 крепежного элемента 2, с выступающей части 9 которого по проводнику 4 через сигнальное устройство 5 поступает на заземленную конструкцию 6. При прохождении тока через сигнальное устройство 5 последнее срабатывает.
Применение предложенного устройства значительно сократит время поиска поврежденного изолятора и может предотвратить аварийное состояние системы электроснабжения.
В отличие от конструкции типового изолятора данное предложение предполагает установку удлиненного пластмассового колпачка для крепления корпуса изолятора к заземленному штырю или крюку. Колпачок покрывается токопроводящей пленкой 3. Покрытие позволяет улавливать ток изолятора в любом месте пробоя, т. е. дает возможность контролировать не только сквозной, но и поверхностный ток.
Рассмотрим основные процессы, происходящие в системе «изолятор - опора» воздушной линии 6 -10 кВ как в исправном состоянии, так и при наличии в изоляторе дефектов.
При установившемся режиме работы схема замещения с изолятором, имеющим сигнальное устройство и элементы заземления, с достаточной степенью точности представлена на рисунка 5.
Рисунок 4 - Схема устройства для выявления дефектов изоляторов
L э
R,
Рисунок 5 - Схема замещения подключения сигнального устройства к изолятору ВЛ
I
Из рисунка 5 видно, что в ограничении переменных токов изолятора определенную роль могут играть параметры токопроводящей пленки, крепежного элемента, сигнального устройства и заземленной несущей конструкции. Анализ действительных значений сопротивлений данных элементов показывает, что в установившемся режиме работы можно пренебречь составляющими этих величин. На рисунке 5 указаны эквивалентная индуктивность источника питания ЬЭ и проводников линии, эквивалентная емкость линии СЭ на участке до расчетной точки. Для удобства расчета ограничимся анализом условий питания линии с одной из подстанций.
Изолятор характеризуется параметрами геометрической емкости Сг, абсорбционными значениями Яабс и Сабс, сопротивлением сквозной проводимости ^скв, поверхностными параметрами Яп и Сп. На схеме рисунка 5 обозначены сопротивление токопроводящей пленки крепежного узла ^пл, активное сопротивление Як, емкость крепежного узла Ск, сопротивления сигнального устройства ^сиг и заземленной несущей конструкции ^пр и сопротивление заземлителя Язаз.
Ток заряда геометрической емкости Сг определяется материалом и размерами изолятора [3]. Емкостная составляющая этого тока практически неизменна в процессе эксплуатации и определяется по формуле:
с. • и„
(1)
Возможные изменения тока геометрической емкости могут быть обусловлены лишь колебаниями приложенного напряжения ииз.
Значение тока абсорбции зависит от наличия дефектов, неоднородностей в изоляции, изоляционного материала. В полярных диэлектриках, к которым относится электротехнический фарфор и стекло, ток абсорбции дополнительно создается за счет ориентации диполь-ных молекул под действием переменного электрического поля. На параметры Яабс и С абс в значительной степени оказывает влияние увлажнение, особенно при наличии открытых пор из-за некачественного изготовления или нарушения покрытия при монтаже и эксплуатации.
Как установлено [4], ток абсорбции имеет активную и реактивную составляющие, величины которых определяются по формулам активной составляющей
Сабс ы2т2
1абс
= ии
ш2т2 + 1
и реактивной составляющей
ш т
,■// _ и ^с
'абс ииз^2т2+1'
(2)
(3)
где Gaбс - активная проводимость, соответствующая току абсорбции; Вабс - реактивная проводимость, соответствующая току абсорбции; т - время затухания тока абсорбции до 1/е первоначального значения. Реактивная составляющая абсорбционного тока может превышать ток геометрической емкости в 8 - 10 раз.
Ток сквозной проводимости /скв определяется величиной приложенного напряжения ииз и сопротивлением изоляции Яиз постоянному току:
= [/„о • Си
(4)
где Сиз =--проводимость изоляции.
«из
Составляющие поверхностного тока изменяются в широких пределах. Здесь влияние оказывают объем и вид загрязнения, влажность и климатические условия окружающей среды, радиация и механические воздействия. Комплекс общего сопротивления поверхностного слоя можно представить в виде:
1Г = ш
2 _ Дп(-У^п) Яп+7-Уп _ п Кп-У^п Яп+УХп Кп2+^п2
^^
' У Г> 2 , V 2 - ^п —
Кп2+^п2
Я
/ _ ^п • V
Дп2+*п2
(6)
где й/ - активная составляющая эквивалентного поверхностного сопротивления.
Дп2+*п2 ■
(7)
где Хп/ - реактивная составляющая эквивалентного поверхностного сопротивления. Тогда модули составляющих поверхностного тока будут определяться по уравнениям:
и„
■/ _ — ц Дп2 + 1пов - - ^И3 —
*п2
ии
■// _ _ п ^п2 + ^п2
'■ов-хп/-ииз«п2^хп ■
Результирующий активный ток изолятора
а реактивный ток изолятора
/ — / + // + //
'а 'скв ^ 'пов ^ 'абс'
/ - / + /// + ///
'р 'г + 'пов + 'абс-
(8) (9) (10) (11)
Таким образом, активная и реактивная составляющие будут формировать результирующий ток изоляции в установившемся режиме работы. Комплекс этого тока определяется уравнением:
/и - /а + /р ,
(12)
тогда
^И3 ^И3
+ с.
22 • Т 2
абс 2 I Г
• т2 + 1
+
^п + «п^^п2
+
^ • Т
• Т2 + 1
++ у
йп2 • /
(13)
В этом случае ток сигнального устройства может быть найден по уравнению:
як -У —
к
1
^СИГ ^И3 '
^ • с„
^пл + ^сиг + ^к У ^ • С
(14)
Из формулы (14) следует, что для увеличения доли сигнального тока необходимо добиваться существенного уменьшения сопротивления сигнального устройства Rсиг и токопроводящей пленки Rпл относительно значений активного сопротивления крепежного элемента Rк и его емкостной составляющей, что необходимо учитывать при разработке сигнального устройства.
Тангенс угла диэлектрических потерь 0®5) определяется отношением активных токов изоляции к реактивным составляющим. В исправном состоянии эта величина для изоляции из электротехнических фарфора и стекла и им подобных составляет 0,01 - 0,03 [6]. Следовательно, в нормальном режиме активными составляющими токов изоляции можно пренебречь с достаточной степенью точности. Измерения емкостных параметров штыревых изоляторов
102
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
№ 4(20) 2014
п
1
типа ШФ-10Г показали, что их собственная емкость Сг в исправном состоянии характеризуется величиной 4 - 5 пФ. При переменном напряжении 6 кВ и частоте 50 Гц протекающий по изолятору ток с учетом абсорбционной составляющей составит не более 0,1 - 0,15 мА, а при напряжении 10 кВ - не более 0,2 мА.
При анализе искровых поверхностных разрядов встречаются рекомендации определять напряжение искрового разряда исходя из напряженности 10 кВ/см, однако некоторые авторы предлагают за основу принимать величину 4 - 6 кВ/см. В то же время известно, что напряженность поверхностного перекрытия на границе «твердый диэлектрик - воздух» в ряде случаев понижается до уровня 2 - 4 кВ/см, поэтому в лаборатории техники высоких напряжений УрГУПСа были проведены эксперименты с целью определения токов поверхностного перекрытия фарфоровых изоляторов типа ШФ-10Г.
Поверхность изолятора искусственно подвергалась напылению и увлажнению с целью получения искровых разрядов при рабочих уровнях напряжения амплитудой 15 - 20 кВ. Измерения показали, что расчетным током искрового разряда можно считать величину 10 -15 мА при средней напряженности перекрытия 2 - 3 кВ/см. Очевидно, что в составе этих токов присутствуют и емкостная, и активная составляющие поверхностных токов.
Приведенный выше анализ касается установившегося режима работы, когда даже поверхностное перекрытие в виде искрового разряда фактически не приводит к нарушению нормального режима эксплуатации ВЛ; искровой разряд на поверхности может исчезать в результате деионизации воздуха в «нулевую паузу», уменьшения величины перенапряжения, испарения влаги на поверхности. Значительную опасность представляют дуговые разряды и электрические пробои изоляции, при которых за счет резкого снижения напряжения на изоляторе фактически происходит переходный режим однофазного замыкания на землю.
Дуговой разряд или дуга на поверхности изолятора принципиально отличается от искрового поверхностного разряда относительно невысоким напряжением в дуге 30 - 100 В и, следовательно, значительными токами, величина которых будет определяться не столько напряжением источника питания, сколько близостью поврежденного изолятора к емкостным элементам дефектной фазы (см. рисунок 3) и соседних фаз трехфазной системы (см. рисунок 2). Фактически в этой системе возникает переходный процесс. Необходимо отметить, что индуктивные элементы линии и источника в начальный момент переходного процесса по законам коммутации отделяют источник питания от места замыкания. Возникающие при этом в изоляторе емкостные токи ограничиваются запасом энергии на ближайших емкостях и активным характером цепи замыкания. В дальнейшем по мере снижения первых бросков тока питание точки замыкания на землю будет осуществляться и от источника через индуктивные элементы линии с выходом на установившийся режим работы. В этом случае ток замыкания на землю может быть найден по известной формуле [5]:
4 = 3^и • ^ • Сф = 3^и • 2л/ • Сф, (15)
где Сф - емкость одной фазы относительно земли.
Величина протекающих емкостных токов в начальный период является достаточно сложным параметром [5], споры по поводу выбора коэффициента надежности, коэффициента броска будут продолжаться до тех пор, пока для каждой конкретной линии не получены данные по максимальному емкостному току фидера, числу потребителей, условиям защиты нейтрали питающего трансформатора. Приводимые в литературе расчетные формулы имеют погрешность от 40 до 80 % и, как правило, являются эмпирическими. В качестве примера можно сослаться на работу [5], где приведены полученные опытные значения емкостного тока на уровне 19 А при максимальном значении переходного тока 138 А, т. е. коэффициент броска составил не менее 8.
Электрический или электротепловой пробой внутренней структуры диэлектрика характеризуется разрушением внутримолекулярных связей и определяется качеством самого диэлектрика, формой воздействия напряжения и множеством других факторов, однако фактическое создание проводящего канала оказывается, как правило, аналогичным поверхностному дуго-
вому разряду, т. е. происходит резкое падение напряжения электрического поля и рост тока замыкания. Дуговой разряд и внутренний пробой изоляции выводят из строя изолятор, создавая режим однофазного замыкания на землю. Эти нарушения работы изоляционных структур должны быть положены в основу анализа реальных токов для целей диагностики.
Выбирая конструкцию сигнального устройства и его тока срабатывания, необходимо учитывать параметры изолятора и элементы линии электропередачи. При контроле изолятора величина тока срабатывания сигнального устройства должна быть уточнена опытными измерениями на расчетном участке линии в различных точках, например, в начале линии, в середине и в конце линии с учетом нагрузок подключаемых потребителей электрической энергии. Ожидаемые при этом токи в линиях 6 - 10 кВ могут составлять от десятков миллиампер до десятков ампер в зависимости от переходной составляющей тока.
Список литературы
1. Несенюк, Т. А. Диагностика и поиск неисправных изолирующих конструкций на воздушных линиях в системе с изолированной нейтралью [Текст] / Т. А. Несенюк // Энергобезопасность и энергосбережение / Московский ин-т энергобезопасности и энергосбережения. -М. - 2013. - № 1. - С. 29 - 31.
2. Пат. 2503076 Российская Федерация, МПК H 01 B17/42. Устройство для определения дефектов в изоляторах [Текст] / Т. А. Несенюк; заявитель и патентообладатель Уральский гос. ун-т путей сообщения. - № 2012120948/07; заявл. 22.05.12; опубл. 27.12.13.
3. Мусаэлян, Э. С. Наладка и испытание электрооборудования электростанций и подстанций: Учебник [Текст] / Э. С. Мусаэлян. - М.: Энергия, 1979. - 464 с.
4. Тареев, Б. М. Физика диэлектрических материалов [Текст] / Б. М. Тареев. - М.: Энергия, 1982. - 320 с.
5. Шалин, А. И. Замыкания на землю в сетях 6 - 35 кВ, расчет уставок ненаправленных токовых защит [Текст] / А. И. Шалин // Новости электротехники. - Спб. - 2013. - № 5 (83). -С. 58 - 61.
6. Электротехнический справочник. Общие вопросы. Электротехнические материалы [Текст] / В. Г. Герасимов, П. Г. Грудинский и др. - М.: Энергия, 1980. -T. 1. - 520 с.
References
1. Neseniuk T. A. diagnostics and troubleshooting insulating structures on the WHO-stuffy lines in a system with isolated neutral [Diagnostika i poisk neispravnykh izoliruiushchikh kon-struktsii na voz-dushnykh liniiakh v sisteme s izolirovannoi neitral'iu]. Energobez-opasnost' i ener-gosberezhenie - Energy security and energy efficiency, 2013, no. 1, pp. 29 - 31.
2. Neseniuk T. A. Patent RU 2503076, 27.12.13.
3. Musaelian E. S. Naladka i ispytanie elektrooborudovaniia elektrostantsii i pod-stantsii (Commissioning and testing of electrical power stations and sub-stations). Moscow: Energiia, 1979, 464 p.
4. Tareev B. M. Fizika dielektricheskikh materialov (Physics dielectric materials). Moscow: Energiia, 1982, 320 p.
5. Shalin A. I. Earth faults in networks of 6 - 35 kV calculation of setting non-directional overcur-rent protection [Zamykaniia na zemliu v setiakh 6 - 35 kV raschet ustavok nenapravlennykh tokovykh zashchit]. Novosti elektrotekhniki - News electrical engineering, 2013, no. 5 (83), рр. 58 - 61.
6. Gerasimov V. G., Grudinskii P. G. Elektrotekhnicheskii spravochnik. Obshchie voprosy. El-ektrotekhnicheskie materialy (Electrical Engineering Handbook. General questions. Electrotech-nical materials). Moscow: Energiia, 1980, 520 p.
