Расчет добавочного сопротивления и конструкции датчика тока утечки высоковольтного изолятора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316

РО!: 10.25206/1813-8225-2018-162-131-136

н. л. терещенко

к. и. НИКИТИН с. с. МАКОВЕЦКИЙ Е. П. ЖИЛЕНКО

Омский государственный технический университет, г. Омск

РАСЧЕТ ДОБАВОЧНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И КОНСТРУКЦИИ ДАТЧИКА ТОКА УТЕЧКИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИЗОЛЯТОРА

В статье представлены результаты лабораторных испытаний, проводимых для определения порядка тока утечки с целью расчета сопротивления изоляции без отключения напряжения. Выбраны материалы для создания дополнительного сопротивления. Рассчитаны статическая и динамическая нагрузки на конструкцию. Определено сечение стержня резистора.

Ключевые слова: ток утечки, изоляторы, переменное напряжение, добавочное сопротивление.

Введение. В настоящее время одним из важных вопросов в энергетике является повышение надежности изоляционных конструкций оборудования воздушных линий электропередач (ЛЭП). При существующих методах контроля и диагностики изоляции ЛЭП мероприятия проводятся при отключенном оборудовании. Целесообразно производить контроль изоляции ЛЭП постоянно, под напряжением.

Известны методы, которые основываются на контроле инфракрасного излучения оборудования. Недостатком такого метода является также периодичность обследования или установка камер вдоль всей ЛЭП, что экономически невыгодно.

Предлагается использовать устройство контроля и диагностики изоляции ЛЭП без отключения напряжения. В связи с этим проблема создания методик контроля изоляции ЛЭП под рабочим напряжением является актуальной [1].

Постановка задачи. В настоящее время имеется техническое решение контроля и диагностики изоляции ЛЭП без отключения напряжения. Например, известен оптико-электронный датчик тока и напряжения, структурная схема которого представлена на рис. 1 [2].

Принцип работы датчика заключается в следующем: ток ЛЭП протекает через шунт, возникает падение напряжения, в результате на вход первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается токовый сигнал. Подобным образом подается сигнал напряжения на вход второго АЦП через соединенные высокоомные и низкоомный резисторы. На выходах АЦП присутствуют сигналы, соответствующие аналоговым в параллельном цифровом коде, которые после преобразователя появляются в последовательном коде. Эти сигналы поступают в приемник через волоконно-оптический канал связи с помощью излучающих светодиодов. Блок питания имеет батареи светоизлучателей, преобра-

зующие электрическую энергию в энергетический световой поток. По дополнительным оптическим каналам связи энергетический световой поток направляется в батарею фотоэлементов, которая преобразует энергетический световой поток в электрическую энергию. Блок питания необходим для питания передающего блока.

Приведенный датчик может измерять ток линии и ток утечки изоляторов, так как в качестве датчиков используются безынерционные активные резисторы. Ток утечки изоляторов является важнейшим параметром их состояния. По нему можно определить электрическое активное сопротивление изолятора в процессе его старения [3, 4] и контролировать работу для прогнозирования выхода из строя. Необходимо помнить также, что наличие загрязнений по поверхности изолятора приводит к увеличению активного тока утечки [5].

Выпускается большое разнообразие изоляторов как по назначению, так и по видам изоляции. Исследуем ток утечки через изоляторы имеющихся в наличии марок: стеклянные ШС10Е, ПС70Е и фарфоровые изоляторы ШФ20Г и ШФ10Г на переменном напряжении, предварительно сделав математические расчеты [6, 7].

Теория. В ПУЭ [8] нормировано сопротивление изоляции изолятора, которое должно быть не менее 300 МОм на напряжение 10 кВ [8]. Следовательно, ток утечки через изолятор:

10 • 103

яше ~ ЯС " • 300 • 106

: 1,92 • 10"5 А,

(1)

где ис — напряжение сети, кВ; Яа изоляции изоляторa, МОм. Добавочное сопротивленин:

сопротивление

ли

2

ед п-п-- п 104167 Ом п 104кОм, (2)

д I 1,92 • 101

утет '

131

Высокоомные резисторы делителя напряжения

АЦП

Батарея фотоприемников и стабилизатора напряжения

ШУ1" Провод ЛЭП

Волоконно-оптический канал связи Батарея с в етоголуч ателей Преобразователь параллельного цифрового кода в последовательный

Рис. 1. Структурная схема оптико-электронного датчика тока и напряжения

Яиз

Рис. 3. Электрическая схема эксперимента

Рис. 4. Испытуемые изоляторы ПС70Е, ШС10Е и ШФ10Г (изображены по порядку слева направо)

Рис. 2. Схема замещения ЛЭП

Рис. 5. Изолятор фарфоровый ШФ-20Г

действующее значение напряже-

где Ли ния, кВ.

Причем схема замещения ЛЭП с предлагаемым методом представлена на рис. 2.

Эксперименты. Для проведения эксперимента необходимы:

— высоковольтный источник напряжения — АИД-70М;

- изоляторы марок: ШС10Е, ПС70E, ШФ20Г и ШФ10Г;

— персональный компьютер;

— соединительные провода.

Методика эксперимента на переменном напряжении:

1. Собрать электрическую схему (рис. 3), поочередно подключая для испытания один из изоляторов имеющихся марок: ШС10Е, ПС70E, ШФ20Г и ШФ10Г (рис. 4, 5).

2. При помощи блока генератора АИД-70М (рис. 4) подать переменное напряжение на испыту-

емый изолятор, которое с постепенным увеличением от 0 до 20 кВ. В точках, где напряжение равно было 10 кВ и 20 кВ, зафиксировать значения токов утечки.

Экспериментальные значения токов утечки при подаче переменного напряжения отображены в табл. 1 для каждого испытуемого изолятора.

3. После измерения токов утечки через испытуемые изоляторы необхтдиуу риссчитать их сопротивления. Из формулы (1) выразим Яш и найдем его значение для каждого изолятора. В формуле (3) представлен расчет Я^ для изолятора марки ШФ20Г и поданным на него напряжением, равным 10 кВ.

= 10 • 10т И3 Т Iутеч Т л/т • 100 • 10"6 Т

т 577Т5027 Ом т 58 МОм.

(3)

Таблица 1

Экспериментальные значения токов утечки при подаче переменного напряжения

Марка изолятора Значение переменного напряжения, кВ Значение тока утечки, мкА Расчетное значение сопротивления, МОм

ШФ20Г 10 100 58

20 220 52

ШФ10Г 10 70 82

20 220 52

ШС10Е 10 110 52

20 300 38

ПС70Е 10 200 29

20 500 23

Пересчитаем в соответ92вии с реальными измеренными и параметрами утечек, напряжений и сопротивлений изоляторов соответ-ствующиеим необхздим01е добавочные сопротивления. В формеле (4) прпведен расчет побавочного сопротивленля для итолято3а М0р10 ШФ20Г и поданным на него нппpпжeнрeм, равным 10 кВ:

ед п

ли

I 100•10-

утет

п 20000 Ом п 20 а Ом,

(4)

В табо. 7 припзп^ех^ы ряссчиманные значения добавочных соп]ютивлений для каждого из рассматриваемых марок изолятороп.

Расчед напряжете, подадаемо^о на АЦП, с использованием рассчитанеых данных для изолятора марки ШСЮЕ:

1Р_

10 • 103

л3з • 02 • 10а

я 11,1 • 10-° А,

(5)

I е п 11,1 • 10 • 1я • 103 п 1,999 В. (6)

утет из ' ' V /

Статический расчет. Предполагаем, что добавочный резистор бунет использован для сетей с напряжпнием 100 35 кВ и вы1голнен из материала константан, который предстаписет собой термо-стабильиый пплав на заизви мепи ^и 0коло 59 %) с добав кой некешя (N1 3000 41 %) и марганца (М п 1-2 %).

Удельное эл2нттмчeопое сопротивление данного материало составляет 0,45-0,52 мкОм-м [9]. Относительно манганина значение на 0,03 выше, но при этом температуртый кс^ьсСофипиент константана (а=0,000005), нл два 1орядта меньше, чем у манганина (аМп = 0,0003), 100 позволит материалу сохранить прпктически неибмoннo]м свое сопротивление при изменениитемпературы [102. Эта1^0- параметрами был и о (зусловлен выбор материала.

Проинведем пример расчета на марке сталеалю-миневого провода АСК-120/19 [11]. Средо ее расстояние меакду спор ами уапряжением 35 кВ со став-

Таблица 2

Рассчитанные значения добавочных сопротивлений для рассматриваемых изоляторов

Марка изолятора Значение тока утечки, мкА Значение добавочного сопротивления, кОм

ШФ20Г 100 20

220 9

ШФ10Г 70 29

220 9

ШС10Е 1 п 0 18

270 7

ПС70Е 200 10

500 4

ляет около 50 м. Тогда необходимо иаcачитaть вес провода при соблодении данных условий.

Вес провода АСК-120/19, выдерживаемый резистором, нардем по фермуле:

й п Й0 • е • д п

: 471 • 00 • 10-3 • 9,81 п 231,03 А,

(7)

где Р0 — удельная масса пров3дамарки АСК-120/19, кг/км; Ь — доина провода, им; д — ужоротие свободного падения на поверхности Земли, м/с2.

Расчетное сопро2ивление стеклопластика на основе сооксидной тмолы принимаем = 1000 МПа [12].

Таким образом, нтобходимае площадь поперечного сечения стеклоплестика нт основе эпоксидной смолы в резисторе из условия прочности определяется выражением,

Л =

расы

N 231,03 •то ^

100 о

т 0,ат • 10"6 м2, (8)

где N — нттмаа5нао силт, пpикужeннaт в центр тяжести сечения (явлгется равнодействующей вт-тренних; сел в сетении) ММР0 6.

Условия просности СТ00Л00ластика на основе эпоксидтгойсмолы в ртзистерт епpйдeтуттcя 23111-жен ием:

190

Удельные нагрузки у. кг/м-мм2 на провода учитывают механические силы от веса проводов и гололедных образований, а также давление ветра на провода без гололеда или с гололедом.

Удельные нагрузки относятся к единице длины и единице поперечного сечения провода и применяются во всех расчетах конструктивной части воздушной линии (ВЛ) [14].

Нагр узка от массы пров ода у1:

М О ^94

у, и и ^^и 9,81 1,с2т и 1,059 • ^Н/м3, 0 С • Ю-5

(17)

Из еpтдв-дyщeмфopмyмы выразим вепичину

где С0 — м асиа 1 м про в/да, кг/м. Нагрузка от масры у2:

а/с„,

а • 0,23 • 10"

3 .а

= 0,000.5а ы = 0,05 см . г 0)

у2 ир—и 9,р1 •г8г7

д + К)

р

и 9,^ 1 • 11,1РГ1Рг = ' -0т ]Г^Тм3, (18)

Условие жеазюсти прт ^н^эльном растяже-нии-т жаеии:

<3д],

(10

где е — максимальн00 напряж^ие в конструкции, е — хатак0еристика м—риала (допускаемое напряжение);

-N-<-Т_

ЕА 100

(12)

где Е — модуль упругости стали, 0авный 2-105 МПа [13].

Площадь <оперечного течения И0 данного усЕс ви 10

где С — маииа и'о.волбгт^,^ (1;]г) наи и/ов/дт,

с; и \1" [ рл и и,7::27 • 1С/Т • 900 = 0,ГТ5 кг, (19)

где V— орьев (Г7Д7цcдa га пpивoда дсиной 1 метр, см3. V" и мкД + К, = я 11 . • егг -I- кКк) и и я • 5 • КГ3(Г • Р,18 ' 10"3 + 5 • 10"3< и д ,7Ди • 10"т м3, (20)

где й — диаметр +роиода, ]д; Ь — толщина стенки гол^,\мма, млм. Омид и Oмcобб и/ласть относятся кгвлтуeдным /ийсн/м 1-^2, поэтопн выбираем самый суровый ваvмoнт. Д+я г иор^ого р к+он и Ь = 5 мм; рл = 9Р0 киРм1 — плитнтсть Jо:ь.тla;

Нагризка 01 мапы прог^о^+а и тололеда,73:

1000 100 • 231,03 • 10"

2 • 105

■ 0,0 С 2 • 1— 5 сав . (13)

То и Р1 + Рг и и 1,059 • 105 + 8|0г]г г 104 и 1,892 • 105 Н/м3. (21)

Диамеар стойки из нтвoтня жесткости

ар0

а • 0,012 • 10п

% V 3,1а т 0,000а ы т 0,0а ам.

е и -цв • 10л3 и 9,18 • 10л^, т

0в и

_ т 1 е„в2 р [•(9,08 •10лт)г

: 3 • Ю^М2.

Нагрузка от6 давтенля ветра на пг ое о д Кг и гололеда, у4:

м •О • екс • Д

Р т =-

8 000 • И

^ 101 и

(14)

Окончательно принимаем из двух диаметров больший, й = 0,05 см.

Таким образом, большая механическая прочность стеклопластика на основе эпоксидной смолы позволяет использовать минимальное количество материала для изготовления резистора.

Расчет удельных механических нагрузок. Динамический расчет. Предварительный расчет необходимых параметров:

— радиус провода марки АСК-120/19:

и ^1,Г•Т,09C•18,0•l0CиТl^ г/мз (22)

1000 ^ 181,5 3

где а — ко5ффициент, учитыиаюа1]тй неравномер-ност/ cкopoсти ceтг(a по длине проле5а'Iл^инима-ется и зaвиадмocтг от cмooocтнoro нмпoрo /стра, д (Н/ми шюабл. 3^

V гтг и тр ии ТГ и, 3С0 51е^21

1,9 1,9

(23)

(15)

где V — мaагимaльнaм 9^013,Э5Т ь ве тда, м/сик. В Омске мaксилтльнaя cкoа/cта //тоа составляет 24 м/]кк (1M].

где Бпр — сечение яр о вода марки АСК-120/19, мм2;

— Ер — раоветное (действительное) cетeгиe всего проводв, коттрое отличается от номинального:

(100 -

390 - г70

(000 - г70)и

/(100 - 85)

100

и 0,899 .

(24)

(16)

С — аэродинамический к/эффициевт; г — 1,1 для проводов с с0520 /м 1 Сюте и /ри отсутствии голо-

ь

й

необ

Р

5

ми

т

т

леда; С — 1К для пров одо в с 2 0 мм, а также для всех проводов, подрьпых гололедом; ^ — площадь сечения провода, ы2.

Удельная ньь]^уака оо,р^ьл^е^]НЕ^я ветра на провод с голо2едо2 у5:

У 5 = ■

a-C6I-0,25-gmax • (d + 2 • b) 1000 • F„

Таблица 3

определение коэффициента а

qmax До 270 400 550 700 и более

a 1 0,85 0,75 0,70

0,896 • 1,2 • 0,25 • 360 • (2 • 6,18 • 10~у +2 • 5 • 10~3) 1000 • 3 • 10~5

5 1559,5° 11 Н/м3.

(25)

Суммарнаяудзрная нагрузка на провод от 5го мясс 11 и Д1ВЛУНИЯ ветра на провод у6:

Ук ^У 2 + У2 ^(1,ЬЛ9 • 1Ьл)2 +1Л9,Л112 2 1,ЬЛ^Н/м3. (26) Наггузка у6 ига 1 м г^р2ьс^да:

Г01 2 Ув^ • 1ЬОВ) • А 2 2 1,ЬЛ9 • 1Ьл • (12Ь • 1Ьов) • 1 2 12,В1Н Н, (27)

где 1 — дшна провода, м (11=1).

Нагрузка у6 на 50 м провода (12 = 50):

ъ =У 6(5„р • 10-6) • 12 =

= 1,059 • 105 • (120 • 10"6) • 50 = 635,689 Н. (28)

Суммарная удульнау наурузка на провод от массы про=ода, массы гололеда и да6Л5НИЯ ветра у7:

у7 = Vy3 ■ у1 =

^(l,862-105)2 + 72,1392 = 1,862 • 10 5 Н/м3. Нагрузка 67 ну 1 м провода (13= 1):

(29)

Стеклопластик

Констант

Металлическое кольцо

Рис. 6. Конструкция добавочного резистора

ским кольцам, вставленные в проушины стеклопластика.

Заключение. В работе определен диапазон токов утечек изоляторов, рассчитаны дополнительные сопротивления, которые предполагается использовать в проектируемой системе диагностирования. Произведен статический и динамический расчет нагрузок на конструкцию для определения диаметра стержня добавочного резистора. Разработана конструкция добавочного резистора.

Таким образом, рассчитанная конструкция резистора будет использована в качестве датчика тока утечки высоковольтного изолятора в системе диагностирования на средний класс напряжения 6-35 кВ.

Яз у y)S2P • ю-6) • Д3 8 у 1,862 • 101 • (120 • 100 • 1 у 22,33465 Н.

Нагрузка у7 Н1 50 м пp2вoдa (у = 50) :

Q1 = У,^ • ^ • Д0 (О у 1,862 • 101 ] (120 • 10~6) • 10 у 1,117 • 1031,8.

(30)

(31)

Определлм сечение втержня из стеклотекстолита для изготовляемого дополнительня22 резистора. Для марки стеклотекстолита ВФТ-С прочность при р=зрьше 092 МПа = 39У7,2 кго/см2 [16]. Тогда сечение стержня с утроенным воздействием силы д4=1117 Н= 114 кги:

„ 3ОО7,3 .у „ 2 5 у-у 11,7 см2.

3 • 114

Диаметр стержня:

d у 145с,

ст

4 • 11,7 3,14

у 3,9 см у 39 мм.

(32)

(33)

Конструкция добавочного резистора. На рис. 6 представлен чертеж добавочного резистора.

Резистор выполнен из стеклопластика (стеклотекстолита). На стержень намотан константановый провод, концы которого закреплены к металличе-

Библиографический список

1. Арбузов Р. С. Исследования и совершенствование метода оптического контроля внешней изоляции электрооборудования высокого напряжения: дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2005. 203 с.

2. Пат. 2608335 Российская Федерация, МПК G 01 R 19/00. Оптико-электронный датчик тока и напряжения / Никитин К. И., Поляков Д. А., Довбня Б. Я., Клецель М. Я., Максимов В. М. № 2015116387; заявл. 29.04.15; опубл. 17.01.17, Бюл. № 2.

3. Chunhua F., Jianguo W., Yang L. [et al.]. Composite Insulators Leakage Current Measurement System Based on LabView // 2008 International Conference on High Voltage Engineering and Application, Nov. 9—12, 2008. Chongqing, 2008. P. 113-115. DOI: 10.1109/ICHVE.2008.4773886.

4. Привалов Е. Е. Диагностика внешней изоляции электроэнергетического оборудования. М.; Берлин: Директ-Медиа, 2015. 66 с. ISBN 978-5-4475-3705-0.

5. Ramirez I., Hernandez R., Montoya G. Measurement of leakage current for monitoring the performance of outdoor insulators in polluted environments // IEEE Electrical Insulation Magazine. 2012. Vol. 28, Issue 4. P. 29-34. DOI: 10.1109/ MEI.2012.6232007.

6. Изолятор штыревой фарфоровый ШФ-20Г // AC ЭНЕРГИЯ. URL: http://asenergi.com/catalog/izolyatory/shf-20g.html (дата обращения: 20.09.2018).

7. Изолятор линейный подвесной стеклянный ПС-70Е // БЭСТЭР КОМПЛЕКТ. URL: http://www.bester54.ru/ goods/index. php? type = description&id = 438 (дата обращения: 23.09.2018).

71

8. ПУЭ-7 п. 1.8.35. Нормы приемосдаточных испытаний. Подвесные и опорные изоляторы // Правила устройства электроустановок. 7-е изд. URL: http://pue7.ru/pue7/punkt. php?n=1.8.35 (дата обращения: 25.09.2018).

9. Медно-никелевый сплав константан // Метотехника. URL: http://www.metotech.ru/konstantan-opisanie.htm (дата обращения: 25.09.2018).

10. Удельное электрическое сопротивление проводников. URL: https://bourabai.ru/toe/resistance.htm (дата обращения: 25.09.2018).

11. Удельное электрическое сопротивление проводников. URL: https://bourabai.ru/toe/resistance.htm (дата обращения: 25.09.2018).

12. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д. Л. Файбисовича. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ЭНАС, 2012. 376 с. ISBN 978-5-4248-0049-8.

13. Сравнение стеклопластиковой композитной арматуры и стальной // Rmnt.ru. URL: https://www.rmnt.ru/story/ metal/sravnenie-stekloplastikovoy-kompozitnoy-armatury-istalnoy. 1012646/ # go-sravnenie-tehnicheskih-pokazatelej (дата обращения: 25.09.2018).

14. Осевое растяжение-сжатие. URL: http://www. soprotmat.ru/rast.htm (дата обращения: 25.09.2018).

15. Карта гололедных районов. Гололедные нагрузки // СпецСтройСтандарт. URL: http://www.angar21.ru/karta-gololednih-nagruzok-rossii/ (дата обращения: 25.09.2018).

16. ГОСТ 10292 — 74. Стеклотекстолит конструкционный. Технические условия. Введ. 1976 — 01 — 01. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2005. 16 с.

БРНЧ-код: 4017-2286 ЛиШотГО (РИНЦ): 947723

Адрес для переписки: nadezhda.tereshcenko@mail.ru НИКИТИН Константин Иванович, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника». БРНЧ-код: 3733-8763 ЛиШогГО (РИНЦ): 641865 Адрес для переписки: nki@ngs.ru МАКОВЕЦКИй Станислав Сергеевич, магистрант гр. ЭЭм-185 факультета элитного образования и магистратуры

Адрес для переписки: mr.stasen@mail.ru ЖИЛЕНКО Елена Петровна, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

БРНЧ-код: 1375-6868 Л^^ОГГО (РИНЦ): 1004998

Адрес для переписки: elenazhilenko@yandex.ru

Для цитирования

Терещенко Н. А., Никитин К. И., Маковецкий С. С., Жи-ленко Е. П. Расчет добавочного сопротивления и конструкции датчика тока утечки высоковольтного изолятора // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 131-136. БОН 10.25206/1813-8225-2018-162-131-136.

ТЕРЕЩЕНКО Надежда Андреевна, магистрант гр. ЭЭм-175 факультета элитного образования и магистратуры.

Статья поступила в редакцию 26.10.2018 г. © Н. А. Терещенко, К. И. Никитин, С. С. Маковецкий, Е. П. Жиленко