CC BY
133
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 3
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
УДК 621.315.3: 621.316.99 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-3-70-79
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ СТАРЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ, ВЫЗВАННОГО ЧАСТИЧНЫМИ РАЗРЯДАМИ
© 2018 г. Н.К. Полуянович, М.Н. Дубяго
Южный федеральный университет, г. Таганрог, Россия
DEVELOPMENT OF THE METHOD OF DIAGNOSTICS AND THE PROGNOSIS OF THE RESIDUAL RESOURCE OF CABLE LINES AS THE RESULT OF THE AGING OF ISOLATION CAUSED BY PARTIAL DISCHARGES
N.K. Poluyanovich, M.N. Dubyago
Southern Federal University, Taganrog, Russia
Полуянович Николай Константинович - канд. техн. наук, доцент, Институт радиотехнических систем и управления, Южный федеральный университет, г. Таганрог, Россия. E-mail: nik1-58@mail.ru
Дубяго Марина Николаевна - ассистент, Институт радиотехнических систем и управления, Южный федеральный университет, г. Таганрог, Россия. E-mail: w_m88@mail.ru
Poluyanovich Nikolay Konstantinovich - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Institute of Radio Systems and Control, Southern Federal University, Taganrog, Russia. E-mail: nik1-58@mail.ru
Dubyago Marina Nikolaevna - Assistant, Institute of Radio Systems and Control, Southern Federal University, Taganrog, Russia. E-mail: w_m88@mail.ru
Техническое состояние кабельных линий (КЛ) контролируется в основном по состоянию изоляции, при этом наибольшее распространение получили методы, основанные на испытаниях кабельных линий повышенным напряжением, которые приводят к сокращению ресурса эксплуатации, либо к их пробою, и не дают информации о действительном техническом состоянии линий, проблемных местах, степени их опасности, остаточном ресурсе. В связи с этим для увеличения срока службы КЛ и уменьшения разрушающего воздействия на него постоянного тока предлагается заменить испытание КЛ термофлуктуаци-онным методом позволяющим увеличить надежность электроснабжения потребителей. Неразрушаю-щая диагностика оборудования - новая концепция технического обслуживания по текущему состоянию, выстроенная на прогнозировании запаса надежности. В работе рассматривается задача на основе математической модели установить влияние температурного поля линии, режимных параметров и эксплуатационных факторов на изоляционные свойства КЛ оценить ресурс старения и выявленные изменения свойств изоляции КЛ. Разработанный подход может применяться для создания устройств диагностики и прогнозирования состояния КЛ и определять степень её деградации.
Ключевые слова: электроизоляционные материалы; частичные разряды; термофлуктуационные процессы; тепловой пробой; прогнозирование ресурса; диагностический метод; надежность электроснабжения.
The technical condition of (CL) is controlled mainly by the state of isolation, with the most widespread methods based on tests of cable lines with increased voltage. But high-voltage tests lead to a reduction in the service life, or to their breakdown and are integral methods and do not provide information about the actual technical condition of the lines, problem areas, their degree of danger, residual life. In this regard, the task of increasing lifetime of cosmic rays and reduce the damaging effects on it direct current, the following is to
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
replace the CL test with a high voltage non-destructive method of diagnosis. Below is thermalfluctuation method of diagnosis of insulation condition of CL. The use of this non-destructive method allows to increase reliability ofpower supply to consumers. Non-destructive diagnostics equipment - a new concept of maintenance according to the current state, based on the prediction of the reliability margin. In this paper the problem is considered on the basis of mathematical model of influence establishment of temperature field of the line, regime parameters and operational factors on insulation properties of CL. The main task of the work is to evaluate the resource on the basis of the mathematical model of aging and revealed changes in the properties of insulation CL. The developed approach can be used to create devices for diagnosing and predicting the state of CL and determine the degree of degradation.
Keywords: electrical insulating materials; partial discharges; thermalfluctuation processes; thermal breakdown; prediction of resource diagnostic technique; the reliability of electricity supply.
Введение
Исследованию характеристик, определяющих надежную и безотказную работу КЛ методами технической диагностики, посвящены многие роботы [1 - 4]. Эти методы позволяют локализовать проблемные места в изоляционных материалах (ИМ), определить степень их опасности, оценить остаточный ресурс КЛ. Исследованиями в области диагностики изоляции, и в частности изучением частичных разрядов (ЧР), занимались отечественные и зарубежные ученые [2 - 5]. Внешними проявлениями процессов развития ЧР служит нагрев изоляции [6]. Актуальным является вопрос анализа динамики изменения характеристик ЧР во времени, позволяющий оценить состояние изоляции и ее остаточный ресурс [5]. Рассмотренная в [7] математическая модель нестационарных процессов тепломас-собмена кабельных линий базируется на учете тепловых потерь в элементах конструкции кабельных линий, где приведена двумерная стационарная математическая модель, описывающая процессы тепломассопереноса в закрытом и открытом кабельных лотках. Для составной конструкции КЛ, представленной в виде прямоугольного сечения, моделирование тепловых процессов в КЛ выполнялось с учетом энергии излучения и конвективного теплообмена. Решение поставленной задачи осуществлялось с применением метода конечных элементов.
К недостаткам существующих температурных методов регистрации ЧР можно отнести тот факт, что они рассматривают старение диэлектрика под действием внутренних термомеханических напряжений и внешних механических воздействий [8]. Тепловое старение ИМ изучается уже давно, разработано множество методов, позволяющих диагностировать процессы в ИМ КЛ. В работе [9] проводится моделирование нестационарных тепловых процессов в одножильном силовом кабеле с изоляцией из
сшитого полиэтилена. Приведенная математическая модель представлена в виде системы квазилинейных дифференциальных уравнений параболического типа, решение которой осуществлялось с помощью конечно-разностного метода, краевые и начальные условия не учитывались.
Оптимальным с точки зрения оценки надежности электрических сетей и систем электроснабжения, получения достоверной и полной информации о состоянии изоляции кабелей является сочетание методов интегральной и локальной диагностики, основанных на термодинамическом подходе исследования развития теплового пробоя. Поэтому в работе рассматривается проблема оценки и прогнозирования остаточного ресурса КЛ электрической сети (ЭС) в условиях воздействия тепловых режимов эксплуатации. Для достижения цели поставлены следующие задачи:
- установить влияние температурного режима работы линии, внешних эксплуатационных факторов и режимов работы на изоляционные свойства КЛ электрических сетей;
- на основе математической модели старения и выявленных изменений свойств изоляции от эксплуатационных факторов предложить методику оценки ресурса КЛ.
Постановка задачи
В ИМ кабельных линий электрических сетей имеются разнообразные неоднородности в виде включений, прослоек между отдельными слоями, микротрещин, отслоения изоляции и др. За счет перераспределения электрического поля вследствие различия диэлектрической проницаемости е и удельной проводимости у, т.е. 81Е = 82Е2 или у1 -Е\ = у2-Е2 в местах этих не-однородностей возникает высокая локальная напряженность поля. Развитие разряда в области включения, где имеет место высокая локальная напряженность поля, вызывает неполный пробой изоляции - ЧР.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Успешное решение данной проблемы невозможно без представления о физических процессах и факторах, вызывающих возникновение и развитие ЧР в ИМ, поэтому целью работы является разработка физических принципов определения включений в ИМ методом ЧР.
Тепловой пробой связан с разогревом диэлектрика при протекании тока проводимости и развития диэлектрических потерь. Развитие теплового пробоя в общих чертах может быть представлено в виде последовательности, показанной на рис. 1, где Ув - напряжение, возникающее на включении; 1в - ток, протекающий на включении; 0в - температура во включении; tg5 - тангенс диэлектрических потерь; Рв - мощность, выделяющаяся при образовании включения; Жв -энергия, выделяющаяся при образовании включения; Qв - теплота, выделяющаяся во включении.
U
IeVv ЭвЖ yt\v tgSt\\ РвТ\\ иьт\\ 2вТ \УвТ \\ 9вТ
Рис. 1. Развитие теплового пробоя / Fig. 1. Development of thermal breakdown
Математическая модель появления включения
Для выявления закономерностей развития ЧР в газовых включениях, определим характеристики ЧР [10, 11], участвующие в разрушении ИМ (рис. 2, где Св - ёмкость газового включения; Сщ - Сщ, - емкость изоляции, включенной последовательно с газовым включением; гв - сопротивление канала в газовом включении; Сиз - емкость остальной части изоляции; Ra - сопротивление абсорбции; Rnp - сопротивление проводимости; h - толщина изоляционного материала; hn - толщина изоляции, расположенной после
I DU?V I I + I
Высоковолы ный электрод
Изоляционный материал
Включение
Частичный разряд
Заземляющий электрод
q,
довательно с включением; Нв - толщина изоляции включения (размер включения); X - теплопроводность; Ql и Q2 - выделенное и отведенное количество теплоты имеет место при температурах 01 и 02).
Для исследования величины области включения, процесса развития ЧР, а следовательно, механизмов старения и электрического пробоя ИМ, необходимо определить параметры ЧР, а именно, установить связь между напряжением возникновения Учр его максимальной величиной qЧр и толщиной включения Нв.
Напряженность электрического поля в газовом включении превышает напряженность поля изоляционного материала, так как его диэлектрическая проницаемость значительно выше диэлектрической проницаемости газа (8воздуха=1).
Если к изоляционному материалу приложено напряжение У = У^тю^, то на газовом
С
включении напряжение будет равно: ив = У —П .
СВ
Прикладываемое напряжение вызывает накопление поверхностного заряда на границе газового включения и остального диэлектрика (рис. 2, а). Когда напряжение на включении достигнет напряжения начальной ионизации газа, произойдет ЧР емкости включения:
Учр =-
У
В.ПР СВ + СП
V2
где Сп =
oSп ^В
SnS
Св =
Сп
S0Sn ^В
(1)
h
Ув.пр - пробивное напряжение газового включения; 5В - площадь газового включения.
б
Рис. 2. Схема развития ЧР в изоляции: а - исследуемый ИМ; б - эквивалентная электрическая схема замещения в момент возникновения ЧР во включении / Fig. 2. Scheme of development of the PD in isolation: а - investigated IM; б - equivalent electric circuit of substitution at the moment of occurrence of PD in inclusion
а
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
После подстановки Св, Сп в (1) с учетом, что hв << h и неоднородности электрического поля изоляции, получим
ив.ПР 8П ^
Uчр =■
72 вв
где Kн=Еmax/Ecp - коэффициент неоднородности электрического поля в изоляции, равный отношению максимальной напряженности Emax к средней напряженности Еср в изоляционном промежутке.
Как показано на рис. 2, изоляционный материал имеет толщину включения hв, диэлектрическую толщину h и диэлектрическую проницаемость изоляционного материала 8и = еп, где hв<<h при рабочем напряжении U, напряжение на включении
Ub =в
Вв U п BU •
Диагностические характеристики изоляционных материалов
При оценке состояния ИМ и степени опасности проблемных мест КЛ применяются следующие параметры ЧР: кажущийся разряд qг■, Кл, мощность Р, Вт, регулярность возникновения Яе, частота следования импульсов N наибольшее неоднократно встречающееся значение кажущегося разряда, напряжение возникновения ЧР Ц,, напряжение погасания ЧР Ц и другие. Каждый из единичных ЧР сопровождается прохождением через включение определённого заряда q и приводит к изменению напряжения на внешних электродах всего образца на ДЦв. Соотношение между кажущимся зарядом ЧР qг■чp и практическим зарядом q имеет вид
q,чр =AU всп = q
c
cR + Cr
(2)
Если включение имеет размер hвl (hвl< hв2), при достижении напряжения питающей сети величины разрядного напряжения Цв.пр произойдет первый разряд, после разряда повторно начнет накапливаться поверхностный заряд и с течением времени напряжение на включении достигнет напряжения начальной ионизации, вследствие чего произойдет следующий разряд и т.д. В случае включения с размером hв2 времени для накопления поверхностного заряда потребуется больше (¿\ < следовательно, временной интервал между разрядами будет больше.
С точки зрения опасности нас будет интересовать только высота включения, так как увеличение размера hв приведет к росту мощности ЧР и последующему пробою диэлектрика. При напряжении и < ЦУ^ в изоляции не происходит
ЧР и электрического старения, при отсутствии других видов старения изоляция может работать неограниченно долго.
Следовательно, чем больше напряжение Цчр, тем выше допустимое для изоляции длительно воздействующее рабочее напряжение. Рост прикладываемого напряжения ведет к линейному росту уровня ЧР, а также к понижению порога их возникновения. При определенном напряжении Цкр - напряжение критических ЧР, Пчр - интенсивность ЧР резко возрастает (например, вследствие образования дендрита, образование пузырьков газа), что приводит к резкому разрушению изоляции и снижению срока службы.
Значение qчp зависит от размеров включений и приложенного напряжения. Величина qчp зависит от качества изоляции (от 10-16 до 10-6) и связана с физическим механизмом развития разрядов [2]. Изменение напряжения ДЦ незначительное, так при qiчp = \0"12 Кл и Св =\000 пФ имеем ДЦв= \0"3 В [2].
Если включение имеет форму прослойки, вытянутой поперек силовых линий поля, то удобно относить емкости Сп и Св к единице поверхности включения. Тогда формула (2) может быть представлена в следующем виде:
q-чр = q-
-п
-в
B - Вв B
1 -
п
Вп
V
(3)
-1
V Вв
Из формулы (3) следует, что кажущийся заряд ЧР уменьшается с увеличением толщины диэлектрика h.
Интерес представляет интегральная количественная характеристика - уровень ЧР, т.е. суммарный заряд qт за интервал времени Т. Сумма кажущихся зарядов частичных разрядов за определенный интервал времени
4т = 41 + 42 + ••• + 4п-
Для большинства ИМ с ростом напряжения количество областей, в которых возникают ЧР, не остается постоянным, а увеличивается, что приводит к более сильной зависимости числа разрядов в секунду и мощности ЧР от напряжения.
в
п
в
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Таким образом, основную информацию об источнике ЧР несут кажущийся заряд и частота следования импульсов ЧР.
Практическая мощность ЧР разряда равна:
РЧР = у-[41 и1 + 42 •и2 + 4з • и3 + ••• + 4т-ит] =
'И
1 к
= ~ ^ 4т ' ит, 'И ¿=1
где Ц\, Цг,..., Цт - мгновенные значения напряжения на изоляции в моменты разрядов; q\, q2,...qи - величины кажущихся зарядов ЧР за исследуемый интервал времени; (и - время измерения ЧР. Величина qm•Um характеризует энергию единичного разряда, Рчр представляет собой потери энергии на ЧР.
Если заряды существенно различны, то средняя мощность
чр = x ,=1
* w4p(i+1) + W4Pi
2
(П+i -ni)'
где Wчpi - 1-й уровень энергии.
Таким образом, мощность ЧР зависит от их интенсивности (количество разрядов за период питающего напряжения) и от размера газового включения.
Возникновение каждого единичного ЧР приводит к выделению в изоляции объекта энергии Wчp. Эта энергия частично тратится на разогрев испытуемого объекта, а частично расходуется на разрушение ИМ. Если емкость Си >> Сп, то
Си + СП
w = ~п + св u2 - u2 w4p = „ (u в.пр ub
2
.г )•
Интенсивность ЧР в случае газового включения с большими размерами будет меньше, но при этом его мощность (амплитуда) будет больше. Анализируя мощность импульса ЧР по количеству выделенной теплоты (температуре силовых кабельных линий (СКЛ)), можно говорить о степени развития включения в изоляции.
Если происходит общее изменение структуры ИМ, например изменение химической структуры, связанное с увеличением tg5, с возможностью развития теплового пробоя, то необходимо иметь в виду прежде всего мощность ЧР.
Тепловыделение в электрической изоляции
В соответствии с общими представлениями о разрушении изоляции определяющими должны быть либо энергия единичного разряда, либо мощность разрядов. При повышенных температурах, когда условия теплоотвода затруднены и может нарушаться условие теплового равновесия между выделенным и отведенным количеством теплоты, может развиваться тепловой пробой [3]. Количество выделяемой в диэлектрике теплоты пропорционально диэлектрическим потерям, т.е.
0ВЫД = U c • tg8f,
где
tg5, = tg50ea
9-9o)
(4)
Тогда
Uпр = ф(с)
^усл • X
• ° • / • ^о
Здесь х - коэффициент теплопроводности диэлектрика; Аусл - коэффициент, зависящий от условий охлаждения; а^ - температурный коэффициент изменения tg5o; ф(с) - функция, зависящая от параметра с.
В ИМ происходит тепловыделение за счет диэлектрических потерь:
Ра= ой =АЦ?юС tgSi,
здесь ДЦ - падение напряжения на рассматриваемом слое; ю - угловая частота; С - емкость слоя рассматриваемого участка; tg5г■ - значение тангенса диэлектрических потерь на участке 01.
Исходя из теплового закона Ома
о=-,
* Я
Я - тепловое сопротивление;
•106
Связь между qчp и Wчp определяется выражением
w4P = q4pU4P (1+л).
V2
Мощность ЧР зависит от размера включения [5]. Увеличение размера включения (а именно увеличения пробивного промежутка hв) есть увеличение начального напряжения ионизации, следовательно, импульс тока и напряжения будет иметь большую амплитуду, а мощность ЧР возрастет. Увеличение мощности разряда вызовет интенсивный рост включения по направлению к электродам, что впоследствии приведет к полному пробою изоляции. Рост размера включения происходит по дендритной структуре.
где R =
А X •S
X - коэффициент теплопроводности; - поверхность охлаждения; Д - толщина диэлектрика; Д0 - перепад температуры.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Согласно уравнению Фурье для теплового потока
до=X • £.
ах
С учетом конвективного теплообмена
О = ак • я-(еш-00), (5)
здесь ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией; 5 - рассеивающая поверхность охлаждения; 0пв - температура поверхности изделия; 0о -начальная температура.
При конвективном теплообмене температура на жиле кабеля является сложной функцией различных величин (размера и формы конструкции, скорости течения воздуха и т.д.) и определяется с учетом количества выделяемой СКЛ теплоты (4):
" 1 + ^ |, (6)
0Ж = ®ПВ
+ -
n •1 -Р20 • Tk • Kp
Я ^ а • Я
где 0ж - расчетная температура жилы кабеля, °С; 0пв = 23°С - измеренная температура поверхности кабеля; п =1- число жил кабеля; I - максимальный ток кабеля при проведении измерений, А; Р20 = 2,810-8 Омм - удельное электрическое сопротивление жилы кабеля при 20 °С; Тк = = 0,0028 °См/Вт - сумма термических сопротивлений изоляции и защитных покровов кабеля; К = 1,02 - поправочный коэффициент для приведения электрического сопротивления к расчетной температуре (при прокладке в воздухе - 1,02; в земле - 0,98); а= 0,004308 1/°С - температурный коэффициент сопротивления материала жилы [12]; 5 = 0,0038465 - сечение жилы кабеля, м2.
Таким образом, при регистрации термофлук-туационных процессов в ИМ, выделяемое количество теплоты (5), в результате ЧР (см. рис. 2), будем оценивать с помощью пропорциональной ей величине через температуру на поверхности КЛ (6). Критериями оценки работоспособности кабелей по данному методу являются: напряжение возникновения ЧР Уу, уровень ЧР qт, коэффициент старения кст, коэффициент нелинейности кн, а также частота и их интенсивность.
Экспериментальные исследования и анализ
Применение метода измерения и локализации ЧР позволяет не только оценивать состояние изоляции КЛ по характеристикам ЧР, но и определять места развивающихся повреждений и включений в КЛ, в которых может произойти пробой изоляции, что исключает аварийные ситуации в энергосетях и дает возможность в
плановом порядке производить ремонт КЛ. Работы выполнялись с помощью лаборатории, включающей в себя два вида приборов. Аппаратура OWTS позволяет определять проблемные места в линиях методом ЧР, выполнять их локализацию по всей длине. Приборы CDS предназначены для оценки степени старения и остаточного ресурса эксплуатации линий методом возвратного напряжения и тока релаксации.
Включения в линии не препятствуют работе, но имеют тенденцию к ухудшению ее технического состояния. Завершающей стадией развития включения является процесс выхода линии из строя, т.е. пробой. Поэтому задача диагностики технического состояния СКЛ состоит в определении степени развития включения, его опасности и остаточного ресурса эксплуатации до пробоя. Наличие информации о текущем действительном техническом состоянии СКЛ позволяет исключить внезапные аварии. Произведены испытания и комплексная диагностика КЛ районных электрических сетей (табл. 1).
Таблица 1 / Table 1 Технические данные части обследованных КЛ
/ Technical data of the part of the surveyed ^
№ Тип кабеля Длина линии, Кол-во соединит ельных муфт Особенности прокладки/год Средняя токовая нагрузка, А
м прокладки
1 ААБ-10 3*150 10 кВ 590 5 в грунте /06.1983 10
2 ААБ-10 3*150 10 кВ 533,9 2 в грунте /06.1983 -
3 АСБ-6 3*706 кВ 270 3 в грунте / 1990 5
4 ААБ-10 3*150 10 кВ 524,8 3 в грунте / 06.1983 30
5 ААБ-10 3*150-10 кВ 778,7 4 в грунте / 1983 3,5
Анализ результатов измерения дает возможность определить следующие параметры:
- среднее и максимальное значения уровня
ЧР;
- схемы распределения разряда по длине кабеля. Система создаёт качественные и количественные схемы распределения разряда по длине кабеля;
- анормальные процессы на отрезках кабеля на определённом уровне ЧР и число ЧР на испытательном напряжении.
Напряжение возникновения ЧР ниже уровня фазного напряжения (РВУу1 = 4 кВ) показывает, что при эксплуатации кабеля имеющиеся в нем включения развиваются и вырастают до опасных размеров, что приводит к выходу КЛ из работы.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Результатом диагностики методом измерения характеристик ЧР является карта распределения ЧР, на которой определяются наличие или отсутствие скрытых включений по всей длине кабельной системы (рис. 4). Сравнение измеренных значений с граничными (табл. 2) позволяет ранжировать линии по критериям состояния -«хорошая», «плохая» или «критичная».
Таблица 2 / Table 2 Граничные значения и тенденции ЧР / Limit values and trends of the partial discharges
Элемент кабельной системы Тип ИМ Тенденции развития /предельные значение
Изоляция Бумажная изоляция до 10000 пКл
PE / VPE - insulation < 20 пКл
Муфты Масляная изоляция > 10000 пКл
Масляная/эпоксидная изоляция 5000 пКл
Силикон/EPR изоляция 500 до 1000 пКл
Концевые муфты Маслонаполненная концевая разделка 6.000 пКл
Сухая концевая разделка 3500 пКл
Термоусадка/концевые разделки 250 пКл
Таким образом, техническая диагностика дает возможность определять проблемы в КС на их ранней стадии, не доводя эксплуатацию ЭО до аварийной ситуации.
Рассмотрим диагностику ИМ кабельной линии (кабель от РП-1 до ТП-149), где уровень ЧР измерялся диагностической системой OWTS M28, а ток релаксации или возвратное напряжение измерялись с помощью прибора CDS (рис. 3).
380/10kV 1000kVA
П
\-Г
муфта
+
муфта
муфта
муфта
муфта
6kV RMS, AAB 3х150, 600m
Рис. 3. Участок силовой кабельной системы / Fig. 3. Section of power cable system
Обнаруженные источники ЧР (рис. 4) свидетельствуют о наличии включений в ИМ кабельной линии.
Исследование показало, что на отметке 332 м, 460 м, по всем фазам (L1, L2, L3), и концевым заделкам с обеих сторон зафиксирована повышенная интенсивность ЧР, согласно данным табл. 2. Так как места обнаружения ЧР совпадают с расположением муфт (рис. 3), причина появления такого включения может быть связана с нарушением технологии монтажа этих муфт. Таким образом, периодический нагрев и охлаждение кабелей приводит к появлению воздушных включений в изоляции кабеля. В результате этого происходит снижение величины емкости жилы кабеля по отношению к оболочке и другим жилам.
ТП-149
Locabon |m]
Рис. 4. Карта распределения и интенсивности ЧР в изоляции СКЛ / Fig. 4. Map of distribution and intensity of the PD in the insulation of the SCL
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Результаты исследований участков СКЛ (напряжение возникновения ЧР, Ц,чр; максимальной величины (уровень) ЧР qT) сведены в табл. 3.
Таблица 3 / Table 3 Исследование параметров ЧР и состояния изоляции СКЛ / Investigation of the PD parameters and the PCL insulation state
Кабельная система Параметры ЧР Величина области включения he, мм Рекомендации
Uv В.ПР, кВ qr, пКл Состояние изоляции Ремонт в течение
РП-1 до ТП-149 4,0 1540 1,375 Неуд 1-го года
ТП-173 до ТП-174 4,0 4730 1,375 Неуд 1-го года
ТП-36 до ТП-6 6,0 1162 0,99 Неуд 1-го года
ТП-149 до ТП-36 6,0 972 0,9 Неуд 1-го года
ТП-36 до ТП-905 2,0 12174 1 Пред-пробойное 1-го месяца
UB = Um
eh
-. (7)
к + (е -1) кВ Если падение напряжения на включении достигнет пробивного напряжения воздуха Ув.пр (Нв) в соответствии с эмпирическим законом Пашена, то воздушное включение пробьется. По
мере увеличения напряжения ЧР охватывают все больший диапазон размеров включений. При этом суммарная частота ЧР увеличивается как за счет роста частоты ЧР в «старых» включениях, активизированных на предыдущих ступенях испытательного напряжения, так и за счет «новых» включений, активизированных при очередном подъеме напряжения. Наблюдая за ростом частоты ЧР при подъеме напряжения, можно оценить количество «новых» включений.
Между кажущимся зарядом ЧР во включении и его разрядной площадью установлена функциональная связь:
= У
В.ПР
ee0 ^В h - h>
(8)
Примечание: УуВ.ПР - напряжение возникновения ЧР (РД1У); qт - пКл максимальная величина (уровень) ЧР.
Как следует из табл. 2 и 3, исправная изоляция имеет значение максимального кажущегося заряда намного меньше допустимой величины [3]. Таким образом, взаимосвязь характеристик ЧР с состоянием электрической изоляции не вызывает сомнений.
Экономическая целесообразность применения системы диагностики, позволяющей на ранней стадии выявить процессы развития повреждений в изоляции КЛ, очевидна (предупреждение производственных потерь при внезапных отказах КЛ, возможность проведения ремонтов КЛ в плановом порядке и др.).
Оценки надежности кабельных электрических сетей
Используются параметры ЧР (напряжение возникновения ЧР, Уучр; максимальная величина ЧР, qгчp), для определения величины области включения. При этом предполагается, что падение напряжения на воздушном включении толщиной Нв<<Н (толщина изоляции) составляет
Следовательно, напряжение пробоя дает возможность определить толщину включений в соответствии с (7), а кажущаяся амплитуда ЧР -их разрядную площадь на основании (8). Таким образом, все геометрические характеристики включений становятся известными. От степени их выполнения в каждом конкретном случае зависит правильность определения геометрических размеров.
Если принять, что включение в форме эллипса, а площадь эллипса вычисляется по формуле 5в = паЬ, а в классической форме Ь соотносится с а как Ь = 0,5а. Тогда выражение (8) можно записать в виде
2Uв.ПР ee0nb
h - 2b
где Ь - геометрические параметры эллипса. Тогда для нахождения размера включения решается квадратное уравнение:
2УВ ПРее0пЬ2 + 2Ъqi - qih = 0 .
С помощью данных критериев (напряжение возникновения ЧР, уровень ЧР, коэффициент старения; коэффициент нелинейности) стало возможным быстро и детально определять и достаточно точно прогнозировать, в период какого времени в скрытых включениях произойдет пробой (табл. 4).
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что разработка неразрушающего метода диагностики СКЛ является перспективной задачей, которая позволяет увеличить надежность электроснабжения потребителей, решая основную задачу энергоснабжающих организаций.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Таблица 4 / Table 4 Исследование диэлектрических параметров состояния СКЛ / Investigation of the dielectric parameters of the PCL state
Кабельная система Параметры диэлектрического старения Рекомендации по техническому обслуживанию
kcr kH Степень увлажненности Степень старения изоляции Состояние Диаг-нос-тирова-ние
РП-1 до ТП-149 0.279 1,172 Влажная Сильно состарена Неуд. Через 1-год
ТП-173 до ТП-174 0,18 1,704 Влажная Сильно состарена Неуд. Через 1-год
ТП-36 до ТП-6 0.214 1,715 Влажная Средняя Удовл. Через 5-лет
ТП-149 до ТП-36 0,164 1,733 Высокая влажность Высокая влажность Неуд. Через 1-год
ТП-36 до ТП-905 0.934 1,377 Очень высокая (сырая) Сильно состарена Предпро бойное В теч. 1-мес.
Примечание: kCT - коэффициент старения; kH - коэффициент нелинейности.
Использовался комплексный подход при диагностике СКЛ, выработан алгоритм исследований возникновения и развития пробоя, при котором математические модели позволяют дать количественную оценку остаточного ресурса кабелей.
Заключение
На основании расчета характеристик ЧР установлена связь изменения напряжения пробоя ЧР £/в.пр и кажущегося заряда д от размера включения в изоляции, а также изменения напряжения пробоя ЧР £/в.пр и кажущегося заряда д от диэлектрической проницаемости изоляции е. Показано, что наиболее оптимальным диагностическим параметром деструкции ИМ является температура. Предложена математическая модель прогнозирования появления включения, развития теплового пробоя в ИМ, вызванного ЧР. Приведена методика диагностирования ИМ в условиях эксплуатации. Анализ результатов показал, что измерение параметров ЧР позволяет в комплексе оценивать воздействие на ИМ различных факторов и определять степень его деградации. ЧР являются мерой степени электрического старения, и интенсивности внешних
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
воздействий температурных и др. оказывают существенное влияние на формирование и развитие включений изоляции. Установлено, что напряжение зажигания дает возможность определить толщину включений в соответствии с предложенной формулой, а кажущаяся амплитуда ЧР - их разрядную площадь на основании предложенной формулы. Таким образом, все геометрические характеристики включений становятся известными.
Литература
1. Кустов А.Г. Существует ли в России диагностика силовых кабельных линий и электрооборудования // Энергетика и промышленность России, 2006. №7 (71). С. 18 - 19.
2. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях / Г.С. Кучинский. Л.: Энергия, Ленинград, отд., 1979. 224 с.
3. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Новосибирск: Наука, 2007. 155 с.
4. Федосов Е.М. Частичные разряды в элементах электро-техничнических комплексов: дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2009.
5. Исмагилов Ф.Р., Максудов Д.В. Математическое моделирование развития частичных разрядов в процессе старения диэлектрика // Вестн. УГАТУ. 2011. № 3. С. 98 - 100.
6. Blokhintsev I. Golovkov M., Golubev A., Kane C. Field experiences with the measurement of partial discharges on rotating equioment // IEEE Transcactions on Energy Conversion, 1999. Vol. 14. № 4. P. 930 - 938.
7. Навалихина Е.Ю. Математическое моделирование процессов сложного тепломассопереноса в кабельном канале: дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2015.
8. Дубягo М.Н. Исследование характеристик частичных разрядов в электрической изоляции систем электроснабжения // Изв. ЮФУ. Техн. науки. 2013. № 11. С. 201 - 207.
9. Зализный Д.И., НовиковМ.Н., Ходанович НМ., Шутов А.Ю. Методика численного расчета нестационарных тепловых процессов в изоляции силового кабеля // Вестн. ГГТУ им. П.О. Сухого. 2010. № 4. С. 86 - 95.
10. Dubyago M.N., Poluyanovich I.A., Poluyanovich N.K. Thermodynamic Approach for Identifying oxidative processes insulation breakdown // Applied Mechanics and Materials Vols. 752 - 753, 2015. P. 1153 - 1157.
11. Dubyago M.N. Analysis of Insulation Materials of Cable Systems by Method of Partial Discharges / M.N. Dubyago, N.K. Poluyanovich // Advances in Materials Science and Applications, 2015. Vol. 4, Iss. 1, P. 23 - 32.
12. Dubyago M.N. Study of characteristics of partial discharge for assess-ment of condition of electrical insulating materials of power supply system / M.N. Dubyago, N.K. Poluyanovich // Applied Mechanics and Materials. Trans Tech Publications, Switzerland Vols. 459. 2014. P. 70 - 75.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
References
1. Kustov A.G. Sushchestvuet li v Rossii diagnostika silovykh kabel'nykh linii i elektrooborudovaniya [Is there a diagnosis of power cable lines and electrical equipment in Russia?]. Energetika ipromyshlennost'Rossii, 2006, no. 7 (71), pp. 18 - 19. (In Russ.)
2. Kuchinskii G.S. Chastichnye razryady v vysokovol'tnykh konstruktsiyakh [Partial discharges in high-voltage structures]. Leningrad: Energiya, 1979, 224 р.
3. Vdoviko V.P. Chastichnye razryady v diagnostirovanii vysokovol'tnogo oborudovaniya [Partial discharges in the diagnosis of high-voltage equip-ment]. Novosibirsk: Nauka, 2007, 155 р.
4. Fedosov E.M. Chastichnye razryady v elementakh elektrotekhnichniche-skikh kompleksov [Partial discarges in elementsof electro-technical complexes. Cand. tekhn. sci. diss]. Ufa, 2009.
5. Ismagilov F.R., Maksudov D.V. Matematicheskoe modelirovanie razvitiya chastichnykh razryadov v protsesse stareniya dielektrika [Mathematical modeling of the develop-ment of partial discharges in the process of aging of a dielectric]. Vestnik UGATU, 2011, no. 3, pp. 98 - 100. (In Russ.)
6. Blokhintsev I., Golovkov M., Golubev A., Kane C. Field experiences with the measurement of partial discharges on rotating equi-oment. IEEE Transcac-tions on Energy Conversion, 1999, Vol. 14, no. 4, pp. 930 - 938.
7. Navalikhina E.Yu. Matematicheskoe modelirovanie protsessov slozhnogo teplomassoperenosa v kabel'nom kanale [Mathmatical modeling of the processes of complex heat and mass transfer in the cable channel. Cand. tekhn. sci. diss]. Perm' 2015.
8. Dubyago M.N. Issledovanie kharakteristik chastichnykh razryadov v elektricheskoi izolyatsii sistem elektrosnabzheniya [Investigation of the characteristics of partial discharges in electrical insulation of power supply systems]. Izvestiya YuFU. Tekhn. nauki, 2013, no. 11, pp. 201 - 207. (In Russ.)
9. Zalizny D.I., Novikov M.N., Khodanovich N.M., Shutov A.Yu. Metodika chislennogo rascheta nestatsionarnykh teplovykh protsessov v izolyatsii silovogo kabelya [The method of numerical calculation of non-stationary thermal processes in the insulation of the power cable]. Vestnik GGTU, 2010, № 4, pp. 86 - 95. (In Russ.)
10. Dubyago M.N., Poluyanovich I.A., Poluyanovich N.K. Thermodynamic Approach for Identifying oxidative processes insulation breakdown. Applied Mechanics and Materials, 2015, Vol. 752 - 753, pp. 1153 - 1157.
11. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Analysis of Insulation Materials of Cable Systems by Method of Partial Discharges. Advances in Materials Science and Applications, 2015, Vol. 4, Issue 1, pp. 23 - 32.
12. Dubyago M.N., Poluyanovich N.K. Study of characteristics of partial discharge for assess-ment of condition of electrical insulating materials of power supply system. Applied Mechanics and Materials. Trans Tech Publications, 2014, Vol. 459, pp. 70 - 75.
Поступила в редакцию / Receive 02 марта 2018 г. /March 02, 2018
