CC BY
37
з^жиИУш^^июшюийиижнмиининаииимш^м^ашша
УДК 621.315.65(08)
Непрерывная диагностика опорно-штыревых изоляторов на воздушных линиях 6—10 кВ
Т. А. Несенюк,
Уральский государственный университет путей сообщения, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение транспорта»
Предложено оригинальное решение диагностики опорно-штыревых изоляторов в сетях с изолированной нейтралью. Для определения неисправности изоляции на воздушных линиях электропередачи предлагается использовать механическое сигнальное устройство, срабатывающее за счёт прохождения тока замыкания на землю. Приведены результаты теоретических расчётов и практических экспериментов по выбору проводника и срабатыванию сигнального устройства.
Ключевые слова: опорно-штыревой изолятор, диагностика, дефект, визуальный контроль.
В системе с изолированной нейтралью поиск места замыкания на землю представляется наиболее сложным из-за малых токов, расстояний между подстанциями (более 15 км) и разветвленной типологии и структуры.
При срабатывании релейной защиты на близлежащих электрических подстанциях место замыкания на землю определяется фильтрами нулевой последовательности, то есть благодаря работе трансформаторов напряжения и трансформаторов тока нулевой последовательности [1]. Если у трансформатора напряжения задан класс точности, то в трансформаторе тока нулевой последовательности класс точности, как правило, отсутствует. Потребитель может заказать специальные трансформаторы тока и задавать определенные технические характеристики под специальные защиты. Но большинство предприятий не могут определиться с выбором защит.
При выезде специализированных бригад для определения места повреждения возникают сложности с поиском непосредственной точки замыкания. Визуальный осмотр не всегда позволяет выявить неисправность. Обнаружить пробои изоляторов при помощи бинокля очень сложно. С применением современных ультрафиолетовых камер, тепловизоров, пирометров время на поиски неисправной изоляции сокращается, но такого рода поиск осуществляется только при осмотрах или в аварийных ситуациях в энергосистеме [2]. Необходима постоянная, непрерывная диагностика для исключения появления токов пробоя и токов утечки, вызываемых атмосферными и коммутационными перенапряжениями, изменением влажности, температуры, загрязнённости изолятора.
Автором предлагается «Устройство для определения дефектов в изоляторах» (заявка на изобретение № 2012120948\07(031733) РФ, МКП 8 Н 01В 17/00) [3]. Особенность устройства состоит в том, что ток замыкания на землю будет проходить по неисправному изолятору и направляться через сигнальное устройство, которое поможет найти дефект изоляционной конструкции. В качестве
сигнального предлагается использовать механическое устройство с визуальным обнаружением неисправности. К диэлектрику воздушной линии -опорно-штыревому изолятору - предлагается для диагностики применить перемещающееся сигнальное устройство (патент на полезную модель №130747, зарегистрирован в Госреестре полезных моделей РФ 27.07.2013). Сигнальное кольцо позволит обнаружить пробой изолятора визуально без сложной контрольно-измерительной аппаратуры.
При помощи устройства (рис. 1) сигнальное кольцо, размещаемое под изолятором, удерживается проводником рассчитанного сечения. При пробое изолятора проходит ток, вызывающий нагревание проводника, в результате чего происходит освобождение индикаторного кольца, которое выпадает из-под юбки изолятора и тем самым индуцирует его пробой. Перемещающееся сигнальное устройство защищено юбкой от механических нагрузок, вызванных порывами ветра, от влияния осадков, солнечной радиации, а также атмосферных и коммутационных перенапряжений. За счёт трубообразной формы кольцо будет беспрепятственно перемещаться вдоль штыря под воздействием собственной силы тяжести и не упадет на землю, а будет находиться на траверсе или крюке в зоне видимости. Для лучшего обнаружения кольца при срабатывании предлагается окрасить его поверхность светоотражающей краской красного цвета.
В лаборатории кафедры «Электроснабжение транспорта» УрГУПС были проведены испытания модели опорно-штыревого изолятора с перемещающимся сигнальным устройством [4]. На основе изучения поведения материалов в экспериментальных исследованиях модели в качестве проводника предлагается использовать стальную проволоку. Сечение проводника должно подбираться таким образом, чтобы протекающий по нему ток мог нарушить его механическую прочность.
Ниже рассмотрена методика выбора сечения проводника.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I wmv.endi.ru
№ 5(53) 2013, сентябрь-октябрь
Рис. 1. Опорно-штыревой изолятор с перемещающимся сигнальным устройством: 1 — изолятор; 2 — юбка изолятора; 3 — штырь; 4 — кольцо; 5 — колпачок; 6 — провод ЛЭП; 7 — проводник; 8 — отверстие; 9 — траверса; 10 — перемещение
По закону Джоуля - Ленца рассчитаем количество теплоты dQ, выделяемое за промежуток времени dt:
(1)
о I
(3)
5 =
(4)
Количество теплоты, необходимой для нагревания тела (проволоки), равно:
(5)
Полное количество теплоты Q3, выделенное за промежуток времени от ^ до t2, можно записать как
(2)
где I - ток (ёмкостный), который может быть равным от 1 до 30 А в зависимости от расстояния до места замыкания на землю и заземления нейтрали (изолированная, компенсированная, резистивная), А;
Я - сопротивление проволоки, Ом; т - время протекания тока, с.
где с - теплоёмкость;
tl - температура окружающей среды, равная
20 °С (начальная температура); t2 - температура плавления, °С (конечная температура); т - масса, кг.
Массу можно рассчитать через известную плотность стали рст=7700-7900 кг/м3 и объём проводника V:
т=Рст'^
V=S■l.
где Руд - удельное сопротивление при температуре 20 °С;
I - длина проводника, мм;
S - площадь проводника, через которую можно выразить диаметр искомого проводника с£:
71 -<12
Тогда коэффициент полезного действия
Диаметр проводника:
(6) (7)
(8)
(9)
№ 5(53) 2013, сентябрь-октябрь
redaktor@endf.ru
(10)
C помощью Excel произвели расчёт диаметра проводник исходя из различных токов замыкания на землю. За основу было взято расчётное сечение проводника и проведён ряд экспериментов в подтверждение теоретических вычислений для медной, стальной и магнанитной проволок различного сечения (табл. 1).
Другим фактором при выборе проводника являлась теплоотдача. Зная удельную теплоёмкость, учитывая температуру плавления, исходя из токов плавления и сравнивая коэффициенты теплопроводности меди и стали (табл. 2), можно предположить о большей теплоотдаче меди, что может негативно повлиять на работу сигнального устройства.
Процесс срабатывания сигнального устройства начинался с нагрева проводника и заканчивался его плавлением с последующим передвижением сигнального кольца вдоль штыря к платформе,
Таблица 1
Результаты измерений величины тока плавления
Тип и сечение проволоки Ток плавления, А Среднее значение тока плавления, А
Медь й=0,12 мм 3,45 3,6 3,55 3,5 3,6 3,65 3,45 3,4 3,5 3,6 3,53
Медь й=0,15 мм 4,7 4,5 4,6 4,65 4,5 4,55 4,7 4,5 4,6 4,55 4,585
Медь й=0,23 мм 9,5 9,3 9,4 9,45 9,4 9,5 9,3 9,35 9,55 9,4 9,415
Сталь й=0,14 мм 6,1 5,8 6,2 5,9 6 6,1 6,5 5,5 6,6 5,9 6,06
Магнанит й=0,22 мм 6,8 6,9 7,2 6,6 7 6,9 7,1 7,2 6,8 6,5 6,9
Опыт показывает, что при задаваемом токе 5 А оптимальным сечением для проводника является диаметр 0,14 мм стальной проволоки. При этом рассчитанный проводник имел диаметр 0,21 мм.
Исходя из свойств материала проводника для сигнального устройства остановились на стальной проволоке, так как прочность стали выше за счёт имеющейся у неё кубической объёмноцентрированной кристаллической решётки и встроенных примесей углерода (рис. 2 а). Магнанит обладает похожей структурой (рис. 2 в), а медь - кубической гранецент-рированной решёткой, которая не имеет высокой механической прочности (рис. 2 б).
что фиксировалось секундомером. С помощью программы Excel была построена точечная диаграмма и проведена экспоненциальная линия тренда (рис. 3). В результате плохого контакта, погрешности измерений и неравномерной толщины поверхности проволоки некоторые значения выходят за пределы области значений, но не влияют на точность измерений.
120т
а
а
* О-..... -т <7 V
6 о
Рис. 2. Кристаллические решётки: а — стали; б — меди; в — магнанита
Рис. 3. График зависимости времени плавления проводника от величины тока
Характеристики стали и меди
Таблица 2
Свойства материала проводника Медь Сталь
Удельная теплоёмкость, кДж/кг-К 0,385 0,500
Температура плавления, °С 1084,5 1300-1500
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) 401 57
а
а
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / wmv.endi.ru
№ 5(53) 2013, сентябрь-октябрь
В опыте по определению пути протекания тока наблюдался нагрев в месте соединения проводника с сигнальным кольцом, что показало правильность теоретических расчётов по выбору проводника и срабатыванию устройства за счёт теплового эффекта и потери механической прочности стального проводника.
При выборе проводников необходимо учитывать величину тока замыкания на землю и времени срабатывания, которое может зависеть от требований заказчика. Проводимые в лаборатории эксперименты засвидетельствовали работоспособность модели опорно-штыревого изолятора с перемещающимся
сигнальным устройством, что позволяет предложить изготовление данного устройства на заводских площадях и использовать его в диагностике опорно-штыревых изоляторов действующих сетей среднего напряжения. Применение данного диагностического сигнального устройства позволит непрерывно отслеживать неисправность изолятора не только при осмотрах воздушных линий электропередачи специализированными бригадами, но и ускорит поиск трудно обнаруживаемого места однофазного замыкания при пробое изолятора в сетях с изолированной нейтралью.
Литература
1. Несенюк Т. А. Методы поиска однофазных замыканий в электрических сетях 6-35 кВ // Транспорт Урала. - 2011. - № 1(28). - С. 77-82.
2. Несенюк Т. А. Диагностирование изолирующих конструкций // Транспорт Урала. - 2011. - № 3 (30). -С. 69-71.
3. Несенюк Т. А., Сухогузов А. П. Изменение конструктивного исполнения изолирующих конструкций для диагностики неисправной изоляции // Транспорт Урала. - 2012. - № 4 (35). - С. 69-74.
4. Протокол испытаний модели «Опорно-штыревого изолятора с перемещающимся устройством». УрГУПС, Екатеринбург, 2013.
Uninterrupted diagnostics of basic-pin insulators on 6-10 kV overhead lines
T. A. Nesenyuk,
The Ural State University of Railway Transport, senior lecturer of the Transport power supply department,
post-graduate student
The original solution for diagnostics of basic-pin insulators in lines with insulated neutral is suggested. Detection of faulty insulation is possible with use of mechanical signal device working by circuit grounding. The author gives results of theoretical calculations and practical experiments tied to choosing of a cable and working of signal device.
Keywords: basic-pin insulator, diagnostics, defect, visual control.
N 5(53) 2013, сентябрь-октябрь
redaktor@endf.ru
