Електричний контроль ступеня секторних забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет

Харківський політехнічний інститут

УДК 621.311.1;621.315.62

Електричний контроль ступеня секторних забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Сіріков Олександр Іванович

Харків 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електротехнічних системи Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Серебренніков Сергій Валентинович, Кіровоградський національний технічний університет, м. Кіровоград, доцент кафедри електротехнічних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Стороженко Володимир Олександрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, завідувач кафедри фізики

кандидат технічних наук, доцент Лазуренко Олександр Павлович, Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, м. Харків, декан електроенергетичного факультету

Захист відбудеться „12” листопада 2009 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.09 у Національному технічному університеті „Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

Автореферат розісланий „ ” жовтня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.М. Глоба

електричний забруднення високовольтний ізолятор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Під час експлуатації електроустановок систем електропостачання неминуче відбувається забруднення і зволоження поверхні ізоляції, що призводить до погіршення її ізоляційних властивостей та перекриття. Найбільш поширеним організаційно-технічним заходом по забезпеченню надійності роботи ізоляції електрообладнання є її періодичне регламентне очищення від забруднень. Кількість забруднення та його склад залежить від ряду факторів, зокрема і випадкових. Тому, в багатьох випадках, регламентне очищення ізоляції проводиться передчасно, а інколи - із запізненням. Для визначення небезпечного рівня забруднення та необхідності очищення поверхні ізоляції створені системи технічної діагностики ступеня забруднення під робочою напругою. Системи, які реагують на появу розрядних процесів на забрудненій поверхні визначають передаварійний стан ізоляції з запізненням, вказуючи на її вкрай важкий стан. Системи технічної діагностики, в яких закладений електричний метод контролю, здатні визначати критичний рівень забруднення на ранніх стадіях, але не дозволяють оцінювати ступінь забруднення у випадку його секторного розподілу на поверхні ізолятора та не враховують вплив таких факторів навколишнього середовища, як температура і вологість, а також нестабільність прикладеної до ізолятора напруги. Тому, зазначені системи широкого застосування не знайшли. Отже, удосконалення методу електричного контролю та створення нової системи технічної діагностики ступеня забруднення високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою є актуальною задачею для систем електропостачання та складає напрям дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі електротехнічних систем Кіровоградського національного технічного університету у рамках держбюджетної теми МОН України „Дослідження електромагнітної сумісності та підвищення надійності роботи електричних мереж та підстанцій” (ДР №0107U000005), де здобувач був виконавцем розділу „Підвищення надійності роботи електричних мереж та підстанцій”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення методу електричного контролю ступеня забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою та розробка на його основі системи технічної діагностики.

Для досягнення цієї мети поставлені такі задачі:

- розглянути та проаналізувати існуючі методи та технічні засоби контролю ступеня забруднення високовольтних ізоляторів під робочою напругою;

- отримати залежність величини сектору забруднення від параметрів струму витоку ізолятора;

- отримати рівняння перетворення для критичного поверхневого струму витоку в залежності від факторів оточуючого середовища, прикладеної напруги, величини сектору забруднення;

- розробити блок-схему системи технічної діагностики ступеня секторних забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою та створити макет пристрою вимірювання комплексного поверхневого струму витоку і параметрів оточуючого середовища, провести його виробничі випробування.

Об'єкт дослідження - процеси контролю забруднення поверхні високовольтних опорних ізоляторів.

Предмет дослідження - електричний контроль ступеня секторних забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою за струмом витоку.

Методи дослідження базуються на використанні: теоретичних основ техніки високих напруг та електротехніки при аналізі складових струму витоку через ізолятор; диференційного та інтегрального числення при математичному моделюванні поверхневого струму витоку; статистичного аналізу при обробці експериментальних даних та побудові емпіричних формул; комп'ютерного моделювання при визначенні активної і реактивної складових поверхневого струму витоку та оцінки методичної похибки визначення кута зсуву фаз ортогональним дискретним способом.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше досліджено параметри комплексного поверхневого струму витоку на основі математичної моделі електричних процесів його утворення в шарі забруднення на поверхні опорного ізолятора, що дозволило при проектуванні систем технічної діагностики оцінити складові струму в залежності від величини сектору і ступеня забруднення;

- вперше одержано вираз для визначення величини сектору забруднення за активною і реактивною складовими поверхневого струму витоку в кінці ізолятора, що дозволило удосконалити електричний метод контролю шляхом перерахунку значення критичного струму витоку пропорційно величині сектору забруднення;

- вперше одержано рівняння перетворення для критичного поверхневого струму витоку в залежності від факторів оточуючого середовища, робочої напруги та величини сектору забруднення, що дозволяє визначати з урахуванням їх впливу критичний поверхневий струм витоку в системі технічної діагностики;

- дістала подальшого розвитку модель протікання струмів витоку через ізолятор, в якій вперше враховано реактивну складову поверхневого струму витоку, що дозволило визначати величину сектору забруднення на поверхні ізолятора.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що створена нова система технічної діагностики ступеня забруднення високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою, яка на відміну від існуючих:

- використовує удосконалений метод електричного контролю за комплексним значенням поверхневого струму витоку, що дозволяє їй працювати при секторних забрудненнях поверхні;

- враховує фактичну прикладену до ізолятора напругу та вплив на поверхневий струм витоку таких факторів оточуючого середовища, як температура і вологість, що дозволяє їй визначати небезпечний рівень забруднення поверхні на ранніх стадіях незалежно від прикладеної напруги.

Розроблена система визначає критичний рівень забруднення та необхідність проведення очищення ізоляції електроустановок в системах електропостачання. Новизна отриманих технічних рішень захищена патентами України №17315 і №25587.

Розроблений макет пристрою ВЗІ-1 пройшов виробничі випробування на п/ст. „Кіровоградська” 150/35/10 кВ ВАТ „Кіровоградобленерго” та впроваджений в дослідну експлуатацію на КРПЗ ДП „Теплоенергоцентраль” ТОВ „Високі енергетичні технології” (м. Кіровоград).

Результати теоретичних і експериментальних досліджень впроваджені у навчальний процес кафедри електротехнічних систем КНТУ при викладанні курсу „Електрична частина станцій та підстанцій”.

Особистий внесок здобувача. Всі основні теоретичні та експериментальні результати, які виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. Серед них: математичні моделі комплексного струму витоку по поверхні ізолятора; експериментальне дослідження залежності погонної ємності опорних ізоляторів 10 кВ від повздовжньої координати та величини провідного сектору; статистична залежність величини сектору забруднення від активної і реактивної складової поверхневого струму витоку в кінці ізолятора; рівняння перетворення для критичного поверхневого струму витоку в залежності від факторів оточуючого середовища; робочої напруги та величини сектору забруднення.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації доповідались та обговорювались на: IV, V, VІ науково-технічних конференціях „Приладобудування: стан і перспективи” (м. Київ, 2005, 2006, 2007 рр.); XI, XIІ, XIIІ, XIV міжнародних науково-технічних конференціях „ЛЕОТЕСТ” (с.м.т. Славське, 2006, 2007, 2008, 2009 рр.); Всеукраїнський науково-практичній конференції „Сучасні методи розробки і дослідження систем автоматизації, енергозбереження в промисловості та сільському господарстві” (м. Кіровоград, 2007 р.); Міжнародному симпозіумі „Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика (SIEMA'2008)” (м. Харків, 2008 р.).

Публікації. Основний зміст, наукові положення та результати дисертації опубліковано в 11 друкованих роботах, з них: 6 - у наукових фахових виданнях ВАК України, 2 - патенти України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, 4-х розділів, загальних висновків, додатків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації 166 сторінок, включаючи 28 рисунків по тексту, 15 рисунків на 8 окремих сторінках, 11 таблиць по тексту, додатки на 32 сторінках, 97 найменувань використаних джерел на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Сформульовано мету та задачі досліджень. Показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Перелічені публікації та апробації матеріалів дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз причин пошкоджень комплектних розподільчих пристроїв зовнішньої установки (КРПЗ), який показав, що основною причиною є перекриття зволожених і забруднених ізоляторів, що складає 1/3 від загальної кількості. Для забезпечення нормальної експлуатації ізоляторів найпоширенішим заходом залишається профілактична очистка забрудненої ізоляції.

Процес накопичення бруду на поверхні ізолятора має складний характер у часі та підданий впливу багатьох випадкових факторів. У зв'язку з цим постає проблема розробки та використання систем контролю ступеня забруднення поверхні ізоляторів під робочою напругою.

Огляд існуючих пристроїв та методів діагностики ступеня забруднення під робочою напругою показує, що найбільш доцільним є використання електричного методу контролю по значенню поверхневого струму витоку. Недоліком цього методу є неможливість інтерпретації результатів контролю у випадку, якщо забруднений лише певний повздовжній сектор бокової поверхні ізолятора (секторне забруднення). Виявлено також, що існуючі системи технічної діагностики ступеня забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою, основані на вимірюванні поверхневого струму витоку, не враховують вплив факторів оточуючого середовища і відхилення робочої напруги. Тому, метод електричного контролю та системи технічної діагностики ступеня забруднення потребують удосконалення.

У другому розділі проаналізовано процес накопичення забруднення на поверхні ізолятора та протікання струмів витоку через нього, розроблено математичні моделі електричних процесів утворення поверхневого струму витоку в шарі забруднення.

При горизонтальному розташуванні ізолятора в шафі КРПЗ спостерігається повздовжнє секторне забруднення його поверхні. З часом сектор забруднення збільшується аж до повного забруднення всієї поверхні ізолятора. Тому значення сектору забруднення, по якій протікає струм витоку, є невідомим. Під сектором забруднення розуміємо електропровідну в наслідок забруднення частину поверхні ізолятора між його двома твірними. Величина сектора забруднення S визначається відношенням електропровідної площі сектору забруднення до загальної площі ізолятора.

При прикладенні високої напруги Е до забрудненого ізолятора через нього починає протікати комплексний струм витоку Э_В, обумовлений об'ємними і поверхневими складовими (рис. 1). За припущень, що часткових дуг та іонізаційних процесів на забрудненій поверхні немає, шар забруднення можна змоделювати лінійним активним опором.

Комплексний струм витоку умовно можна розкласти на сім складових

,

де Э_во, Э_вп - об'ємний та поверхневий струм витоку; Э_впз - поверхневий струм витоку від забруднення; Э₁ - струм, обумовлений ємністю C₀ між фланцями через тіло ізолятора; Э₂ - струм активної провідності твердого діелектрика між фланцями R₀; Э₃ - струм абсорбції твердого діелектрика; Э₄ - струм, обумовлений ємністю C_п між фланцем ізолятора і шиною та струмознімальним кільцем через повітря і тіло ізолятора; Э₅ - струм активної провідності по поверхні чистого твердого діелектрика; Э₆ - ємнісний струм, що створюється забрудненням та зволоженням поверхні; Э₇ - струм активної провідності через забруднюючий шар на поверхні.

Об'ємний струм витоку Э_во не залежить від забруднення, натомість поверхневий струм витоку Э_вп залежить від характеру і ступеня забруднення, тому є інформативним параметром для контролю.

Внаслідок забруднення і зволоження поверхня ізолятора стає електропровідною, створюючи електричну ємність до струмопровідної шини і заземлених частин, тому поверхневий струм витоку через забруднюючий шар змінюється в функції повздовжньої координати х внаслідок наявності струмів зміщення через повітря та тіло ізолятора. Це змушує при математичному моделюванні поверхневого струму витоку розглядати схему заміщення, як коло з розподіленими параметрами в функції повздовжньої координати (рис. 2).

При розробці математичної моделі зроблено припущення, що погонні параметри: r₀, яким моделюється ступінь забруднення; С₁ - ємність до фланця з струмопровідною шиною; С₂ - ємність до заземленого фланцю ізолятора і заземлених частин, рівномірно розподілені по всій довжині ізолятора. Це дозволило отримати спрощену модель для якісного дослідження параметрів поверхневого струму витоку в кінці ізолятора вирішенням системи диференційних рівнянь.

Розглядаючи поверхню ізолятора як таку, що складається з великої кількості елементарних комірок нескінченно малої довжини dx, з параметрами: активним опором r₀dx, ємністю С₁dx та С₂dx, отримана система диференційних рівнянь:

(1)

Для отримання рішення (1) початкові умови мають вигляд:

1. Напруга на початку ізолятора (х=0) дорівнює фазній напрузі (U=E).

2. Напруга в кінці ізолятора, де знаходиться струмознімальне кільце для виокремлення поверхневого струму витоку (х?Н), дорівнює нулю (U=0).

З розв'язку (1) при початкових умовах для струму часткове рішення описується виразом

, (2)

де - коефіцієнт, який характеризує зміну струму вздовж осі опорного ізолятора в наслідок наявності струмів зміщення через повітря і тіло ізолятора.

Рішення (2) у випадку х=Н має вигляд

.

Для отримання більш адекватної моделі з метою кількісного дослідження параметрів поверхневого струму витоку в кінці ізолятора та оцінки ступеня наближення спрощеної моделі необхідно врахувати залежність r₀, С₁, С₂ від поточної координати х, що ускладнює аналітичне вирішення системи диференційних рівнянь (1). Тому для їх вирішення запропонований наближений метод. Поверхню ізолятора розіб'ємо на певну кількість N елементарних комірок з зосередженими параметрами (рис. 3). Припустимо, що комплексний поверхневий струм витоку на початку ізолятора Э₁ відомий (рис. 3). Тоді напруга U₁ знаходиться за формулою

,

де r₁ - перший елемент масиву опорів r.

Обчисливши напругу U₁ знайдемо струм Э₂

Рис. 3 Схема заміщення поверхні ізолятора при зосереджених параметрах

,

де С₁₁ і С₂₁ - відповідно перший елемент масиву ємностей до струмопровідної шини С₁ та заземленої площини С₂.

Обчисливши струм Э₂ знайдемо напруги і струми:

, ,

, ,

, .

Напруга в кінці ізолятора дорівнює нулю, тобто

.

Отже, вирішення системи рівнянь (1) з урахуванням залежності погонних параметрів від поточної координати х зводиться до відшукання такого значення комплексного струму витоку на початку ізолятора Э₁, при якому напруга в кінці (х=Н) дорівнює нулю. Враховуючи те, що масиви r, С₁ і С₂ можуть відображати будь-який характер зміни відповідних параметрів від повздовжньої координати х, запропонованим методом можливо отримати Э=f(x), U=f(x) з урахуванням нерівномірності розподілення параметрів схеми заміщення.

У третьому розділі досліджено залежність параметрів схеми заміщення (r₀, С₁, С₂) від повздовжньої координати, змодельований комплексний поверхневий струм витоку, отримано залежність між складовими комплексного поверхневого струму витоку в кінці ізолятора та величиною сектору забруднення.

Залежність погонного опору r₀=f(x) пояснюється змінною кривизною поверхні ізолятора. Якщо припустити, що забруднення розподілене у межах нескінченно малого сектору рівномірно, то межі зміни r₀(x) можна оцінити з відношення діаметрів ізолятора (1-D_min/D_max)·100%=(1-95/115)·100%=17%. Мінімальне значення r₀ можна знайти з гранично допустимого (критичного) поверхневого струму витоку, який для опорних ізоляторів 10 кВ при рівномірному забрудненні і зволоженні всієї поверхні ізолятора складає 0,36 мА. При критичному значенні струму витоку перенапруга, яка може виникнути при замиканні на землю (3,2U_ф) призведе до перекриття ізолятора з ймовірністю 50%. Прийнявши І_max=0,4 мА отримаємо мінімальне значення погонного опору 125 кОм/мм. Максимальне значення r₀ не обмежується, тому приймаючи І_min=10 мкА, отримаємо 5 МОм/мм.

Враховуючи складність аналітичного визначення залежності погонних ємностей С₁=f(x) і С₂=f(x) за рахунок змінної кривизни поверхні ізолятора та впливу вбудованих фланців, вказані залежності знайдено експериментально. Для імітації провідного шару з мінімальним поверхневим опором, при якому впливом r₀ можна знехтувати, поверхня ізолятора обклеювалась алюмінієвою фольгою та поділена на шість поперечних смуг. Після вимірювання ємності смуг відносно шини та площини на якій розташовувався ізолятор, з провідної поверхні видалявся певний подовжній сектор залишаючи спочатку 1/2, а потім 1/4 провідної поверхні. Погонна ємність кожної смуги визначалася діленням її середнього із трьох дослідів значення ємності на ширину смуги (20 мм). Графіки отриманих залежностей для ізолятора ИОР-10-750-ІІІ наведені на рис. 4. Характер залежності С₁=f(x) і С₂=f(x) для дослідного ізолятора ИОР-10-750-І подібний.

Для подальших розрахунків отримана емпірична залежність погонної ємності від координати х, яка апроксимована параболою. Адекватність отриманих рівнянь оцінена коефіцієнтом множинної детермінації R², який для різних рівнянь знаходиться в межах від 0,9535 до 0,9971. Розрахунок середнього значення відносної похибки визначення погонної ємності показав, що воно становить 8,13%.

За результатами моделювання поверхневого струму витоку з використанням спрощеної математичної моделі з рівномірно розподіленими параметрами зроблено наступні висновки:

1) наявність секторного забруднення мало впливає на активну складову струму витоку в кінці ізолятора;

2) реактивна складова струму витоку в кінці ізолятора залежить від величини сектору забруднення, що дозволяє використовувати її для визначення величини сектора забруднення на поверхні ізолятора. Так, наприклад, для ізолятора ИОР-10-750-ІІІ (рис. 5) при r₀ = 1 МОм/мм та S = 1 реактивна складова поверхневого струму витоку в кінці ізолятора становить 42 мкА, при S = 0,5 - 19 мкА, при S = 0,25 - 6 мкА.

Моделювання поверхневого струму витоку з урахуванням нерівномірності розподілення параметрів дозволяє зробити наступні висновки:

1) як і в моделі з рівномірним розподіленням параметрів секторне забруднення майже не впливає на активну складову струму витоку в кінці ізолятора;

2) спостерігається залежність між значенням реактивної складової в поверхневому струмі витоку і сектором забруднення (рис. 6);

3) суттєве розходження значення реактивних складових поверхневого струму витоку в кінці ізолятора, обчисленого по обом математичним моделям вимагає прийняття більш адекватної математичної моделі з урахуванням нерівномірності розподілу погонних параметрів.

Залежність реактивної складової від величини сектору забруднення дозволяє використати кут зсуву фази поверхневого струму витоку, як інформативний параметр контролю ступеня секторного забруднення.

Для визначення залежності величини сектору забруднення від складових комплексного поверхневого струму витоку в кінці ізолятора виконаний множинний нелінійний регресійний аналіз результатів математичного моделювання з урахуванням нерівномірності розподілення погонних параметрів. Отримані рівняння регресії після оцінки значимості коефіцієнтів (F_викл=10) мають вигляд:

- для ізолятора ИОР-10-750-І

, (3)

- для ізолятора ИОР-10-750-ІІІ

, (4)

де I_а і I_р - відповідно активна і реактивна складова поверхневого струму витоку в кінці ізолятора, S - величина провідного сектору.

Адекватність отриманих рівнянь оцінена коефіцієнтом R² який склав для рівняння (3) - 0,9986, а (4) - 0,9731.

В четвертому розділі запропонована блок-схема системи технічної діагностики ступеня забруднення поверхні ізоляторів під робочою напругою, отримано рівняння перетворення для критичного поверхневого струму витоку, розроблений макет пристрою вимірювання комплексного поверхневого струму витоку та параметрів оточуючого середовища.

В основу розробленої нової системи технічної діагностики покладене рівняння перетворення, яке пов'язує первинні параметри (температуру і вологість повітря, температуру ізолятора, прикладену напругу, величину сектору забруднення) з граничним рівнем поверхневого струму витоку. Рівняння перетворення отримано наступним чином. Обробкою результатів фізичного експерименту та оцінкою значимості коефіцієнтів регресії (рівень виділення б=0,05) отримана статистична залежність поверхневого струму витоку від факторів оточуючого середовища та характеристик забруднюючого шару, адекватність якої оцінена коефіцієнтом R²=0,946. Шляхом підстановки найбільш несприятливих факторів оточуючого середовища (W=100%, t_із-t_пов=-2єС) і гранично допустимого струму витоку для рівномірно забрудненого ізолятора (І_кр?=0,36 мА) визначена максимально допустима щільність іоноутворюючої речовини забруднення (µ_кр=0,466·10^-2 мг/см²). З урахуванням прямо пропорційної залежності І_кр від величини сектору забруднення та прикладеної напруги, а також після підстановки µ_кр в статистичну залежність поверхневого струму витоку від факторів оточуючого середовища та характеристик забруднюючого шару отримано рівняння перетворення, яке має вигляд

(5)

де U - фактичне значення прикладеної до ізолятора напруги; U_Н - номінальне значення фазної напруги мережі; Дt = t_із-t_пов - різниця між температурою ізолятора t_із та повітрям t_пов єС; W - відносна вологість %.

Принцип роботи системи технічної діагностики ступеня забруднення полягає в наступному

Для розділення поверхневого струму витоку на складові, до блоку 1 подається опорна фазна напруга мережі U_м від трансформатора напруги TV та поверхневий струм витоку I_вп. В блоці 1 визначається кут зсуву фаз між U_м і поверхневим струмом I_вп, а за його значенням відповідно активна І_а і реактивна І_р складові I_вп, які приводяться до номінальної напруги мережі за значенням U_м. Далі в блоці 2 відбувається визначення величини сектора забруднення S за значеннями І_а і І_р відповідно до виразів (3) або (4). Значення S разом з величиною вологості оточуючого ізолятор повітря W і температури t_пов, а також температурою ізолятора t_із, від блоку давачів 3 і напругою U_м подається до блоку 4 визначення критичного струму витоку І_кр за рівнянням перетворення (5).

Для діагностування небезпечного рівня забруднення необхідно порівняти отриманий граничний І_кр з тим, який протікає у даний час І_вп. Можливі два випадки:

1) І_кр ? І_вп рівень забруднення є критичним і найближчим часом необхідно провести очищення ізоляції;

2) І_кр>І_вп запасу ізоляційної міцності достатньо і ізолятори можуть експлуатуватися і надалі.

Якщо система визначає небезпечний рівень забруднення, то оповіщає обслуговуючий персонал через засоби сигналізації 6. У разі роботи підстанції без обслуговуючого персоналу, сигнал з блоку 5 поступає у телемеханічний канал зв'язку, який оповістить центральний диспетчерський пункт про небезпечний рівень забруднення на даній підстанції.

Розроблено макет приладу, який є частиною запропонованої системи технічної діагностики та вимірює наступні величини: фазу поверхневого струму витоку; амплітудні значення перших гармонік прикладеної до ізолятора напруги та струму витоку; вологість і температуру оточуючого ізолятор повітря; температуру ізолятора. Функціональна схема розробленого макету пристрою наведена на рис. 5

Основний елемент вимірювального пристрою - мікроконтролер (МК) ATmega16. Вимірювання температур здійснюється цифровими давачами DS18B20 з дискретністю 0,1єС при абсолютній похибці вимірювання ±0,5єС. Вимірювання вологості здійснюється аналоговим давачем вологості НІН-4000-003 з точністю ±0,5%. Для відображення виміряних величин використовується інформаційна LCD-панель. В розробленому макеті приладу врахована можливість нелінійних спотворень кривої напруги прикладеної до ізолятора та струму витоку, для цього використаний ортогональний метод визначення кута зсуву фаз з цифровою обробкою сигналів. Прилад передбачає можливість підключення через інтерфейс RS-232 до ПК для подальшої обробки виміряних величин.

У додатках наведено приклад моделювання поверхні ізолятора для знаходження конструктивних параметрів, графіки залежності активної і реактивної складової поверхневого струму витоку та напруги від повздовжньої координати, вихідні дані та матеріали для встановлення залежності S=f(I_а,I_р), програма мікроконтролера ATmega 16 для макету пристрою.

ВИСНОВКИ

В дисертації на основі проведених досліджень розв'язано науково-практичну задачу удосконалення методу електричного контролю ступеня забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою, шляхом визначення величини сектору забруднення та розробки на його основі системи технічної діагностики. Вирішення цієї задачі дало можливість визначати необхідність очищення ізоляції електроустановок систем електропостачання за фактичним ступенем забруднення.

1. На основі проведеного аналізу методів контролю і технічної діагностики ступеня забруднення ізоляторів під робочою напругою виявлено, що метод електричного контролю не дозволяє оцінювати ступінь секторних забруднень, а системи технічної діагностики не враховують вплив вологості і температури повітря, температури ізолятора, відхилення робочої напруги.

2. Аналіз складових струму витоку через забруднений ізолятор виявив в поверхневому струмі витоку реактивну складову, що виникає за рахунок електричної ємності електропровідної поверхні. Це дозволяє за значенням комплексного поверхневого струму витоку визначати величину сектору забруднення та обчислювати гранично допустимий струм витоку пропорційно сектору забруднення.

3. Досліджені параметри комплексного поверхневого струму витоку на основі математичної моделі електричних процесів його утворення в шарі забруднення на поверхні опорного ізолятора, що дозволяє при проектуванні системи технічної діагностики обчислювати активну і реактивну складову струму в залежності від ступеня та величини сектору забруднення. Отримані параметри поверхневого струму витоку дозволили пред'являти вимоги до чутливості вимірювання кута зсуву фази при визначення активної і реактивної складової системою технічної діагностики.

4. Одержано вираз для визначення величини сектору забруднення за активною і реактивною складовими поверхневого струму витоку в кінці ізолятора, що дозволило удосконалити електричний метод контролю шляхом перерахунку значення критичного струму витоку пропорційно величині сектору забруднення та створити на його основі нову систему технічної діагностики ступеня секторних забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою.

5. Одержано рівняння перетворення для критичного поверхневого струму витоку в залежності від різниці температур між ізолятором і повітрям, відносної вологості повітря, робочої напруги та величини сектору забруднення, що дозволяє отримати гранично допустимий поверхневий струм витоку з урахуванням їх впливу та своєчасно визначати момент очищення ізоляції.

6. Розроблена блок-схема системи технічної діагностики ступеня секторних забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою, яка на відміну від існуючих, використовує удосконалений метод електричного контролю за комплексним значенням поверхневого струму витоку та враховує вплив вологості і температури оточуючого повітря, температури ізолятора, відхилення робочої напруги. Це дозволило підвищити ефективність очищення ізоляції при секторних забрудненнях шляхом переходу від планових очищень до очищення за фактичним ступенем забруднення.

7. Розроблений макет пристрою вимірювання комплексного поверхневого струму витоку, температури і вологості повітря, температури ізолятора, прикладеної напруги пройшов дослідну експлуатацію на ДП „Теплоенергоцентраль” ТОВ „Високі енергетичні технології” та виробничі випробування на п/ст. „Кіровоградська” 150/35/10 кВ ВАТ „Кіровоградобленерго”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сіріков О.І. Вибір інформативних параметрів для контролю забрудненості високовольтних ізоляторів / С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. Зб. наук. праць. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2006. - № 11. - С. 224-229.

Здобувачем зроблено огляд методів неруйнівного контролю ступеня забруднення ізоляторів під робочою напругою та аналіз струмів витоку через ізолятор.

2. Сіріков О.І. Діагностика стану забруднення високовольтних ізоляторів під напругою по струму витоку / О. І. Сіріков // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. Зб. наук. праць. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2007. - № 12. - С. 273-279.

3. Сіріков О. І. Електричний контроль забруднення високовольтних ізоляторів під напругою / С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков // Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: Зб. наук. праць. - Кіровоград, 2007. - №19. - С. 275-280.

Здобувачем розроблена математична модель комплексного поверхневого струму витоку для рівномірно розподілених параметрів, проведене експериментальне дослідження розподілу погонної ємності вздовж осі ізолятора.

4. Сіріков О.І. Підвищення точності діагностики ізоляторів при ортогональному вимірювані фази струму витоку / С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. Зб. наук. праць. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2008. - № 13. - С. 238-243.

Здобувачем обчислена методична похибка ортогонального способу вимірювання кута зсуву фаз між напругою прикладеною до ізолятора та поверхневим струмом витоку.

5. Сіріков О.І. Моделювання комплексного поверхневого струму витоку високовольтних ізоляторів з урахуванням нерівномірності забруднення поверхні / С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков // Вісник Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ „ХПІ”. 2008. - №40. - С. 111-114.

Здобувачем розроблена математична модель комплексного поверхневого струму витоку з урахуванням нерівномірності розподілених параметрів, запропонований спосіб наближеного ітераційного розв'язання диференційних рівнянь.

6. Сіріков О.І. Моделювання комплексного поверхневого струму витоку опорних ізоляторів комплектних розподільчих пристроїв / П. Г. Плєшков, С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2009. - Вип. 4/2009 (57). Частина 1. - С. 145-148.

Здобувачем проведене математичне моделювання комплексного поверхневого струму витоку в кінці ізолятора за різними математичними моделями.

7. Пат. 17315 Україна, МПК⁷Н02Н7/26. Спосіб контролю ступеня забрудненості ізоляторів під напругою / С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков ; заявник і патентоутримувач Кіровоградський національний технічний університет. - №u200603657 ; заявл. 03.04.06 ; опубл. 15.09.06, Бюл. №9.

Здобувачем запропоновано враховувати реактивну складову в поверхневому струмі витоку ізолятора та запропонований спосіб її визначення.

8. Пат. 25587 Україна, МПК⁷Н02Н7/26. Спосіб контролю ступеня забрудненості ізоляторів під напругою / О. І. Сіріков; заявник і патентоутримувач Кіровоградський національний технічний університет. - №u200704212 ; заявл. 16.04.07 ; опубл. 10.08.07, Бюл. №12.

9. Сіріков О.І. Підвищення надійності і точності контролю ступеня забрудненості високовольтних ізоляторів під напругою / С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков // Приладобудування: стан і перспективи: IV науково технічна конференція. Київ, 26-27 квітня 2005р. - Київ, 2005. - С. 234-235.

Здобувачем зроблено огляд причин пошкоджень електричних мереж.

10. Сіріков О.І. Прилади комплексного контролю та діагностики стану високовольтних ізоляторів під напругою / С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков, В. П. Кротовський // Приладобудування: стан і перспективи: V науково технічна конференція. Київ, 25-26 квітня 2006р. - Київ, 2006. - С. 239-240.

Здобувачем проаналізовані існуючі прилади контролю ступеня забруднення високовольтних ізоляторів під напругою.

11. Сіріков О.І. Пристрій неруйнівного контролю стану високовольтних ізоляторів / С. В. Серебренніков, О. І. Сіріков // Електромагнітні та акустичні методи неруйнівного контролю матеріалів та виробів „ЛЕОТЕСТ-2009”: ХIV науково технічна конференція. Славське Львівської обл., 16-21 лютого 2009р. - Львів, 2009. - С. 85-86.

Здобувачем розроблений макет пристрою вимірювання комплексного поверхневого струму витоку і параметрів оточуючого середовища високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою.

АНОТАЦІЇ

Сіріков О.І. Електричний контроль ступеня секторних забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2009.

Дисертація присвячена питанню удосконалення методу електричного контролю та розробці на його основі системи технічної діагностики ступеня забруднень високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою.

Для попередження перекриття забрудненої і зволоженої ізоляції комплектних розподільчих пристроїв зовнішньої установки використовується періодичне її планове очищення. Для визначення моменту очистки необхідні системи контролю ступеня забруднення. Для усунення неоднозначності оцінки ізолюючої спроможності при секторних забрудненнях в дисертаційній роботі визначена діагностична ознака величини сектору забруднення - реактивна складова поверхневого струму витоку. Розроблено математичні моделі для аналізу параметрів комплексного поверхневого струму витоку. Експериментально досліджено розподіл погонної ємності поверхні опорних ізоляторів 10 кВ. Отримана емпірична залежність величини сектора забруднення від параметрів комплексного поверхневого струму витоку в кінці ізолятора. Розроблено систему технічної діагностики ступеня забруднення високовольтних опорних ізоляторів під робочою напругою.

Ключові слова: засоби контролю, технічна діагностика, метод електричного контролю ступеня забруднення, струм витоку.



Сириков А.И. Электрический контроль степени секторных загрязнений высоковольтных опорных изоляторов под рабочим напряжением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы, методы контроля и определения состава веществ. - Национальный технический университет „Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2009.

Диссертация посвящена вопросу усовершенствования метода электрического контроля и разработке на его основе системы технической диагностики степени загрязнений высоковольтных опорных изоляторов под рабочим напряжением.

Проведенный анализ аварийных отключений комплектных распределительных устройств внешней установки показал, что наиболее распространенной причиной является перекрытие загрязненной и увлажненной изоляции. Среди рассмотренных мероприятий по обеспечению нормальной эксплуатации изоляции наиболее распространенной остается плановая периодическая очистка. Для определения момента очистки необходимы системы контроля степени загрязнения под рабочим напряжением. Характеристика методов неразрушающего контроля показала необходимость использования метода, основанного на измерении поверхностного тока утечки. Основным преимуществом данного метода является возможность контроля степени загрязнения на ранних стадиях без увлажнения поверхности, среди недостатков - неоднозначность оценки изолирующей способности при секторных загрязнениях.

Проведен подробный анализ составляющих тока утечки через изолятор, что позволило определить диагностический признак для величины сектора загрязнения - реактивная составляющая в поверхностном токе утечки.

Разработаны математические модели для качественного и количественного оценивания параметров комплексного поверхностного тока утечки от степени и величины сектора загрязнения. Экспериментально исследовано и получена эмпирическая зависимость погонной емкости от продольной координаты, которая использована в точной математической модели. В результате математического моделирования получена зависимость величины сектора загрязнения от активной и реактивной составляющей поверхностного тока утечки в конце изолятора.

Предложена система контроля степени загрязнения под напряжением, которая учитывает секторность загрязнения, а также зависимость поверхностного тока утечки от влажности и температуры воздуха, температуры изолятора, отклонения напряжения приложенного к изолятору. Разработано цифровое устройство измерения напряжения, тока утечки и угла между ними, а также факторов окружающей среды: температуры изолятора и воздуха, влажности воздуха. Для большей помехозащищенности измерения фазового угла от нелинейных искажений тока и напряжения использован ортогональный метод определения угла с дискретной обработкой сигнала.

Ключевые слова: средства контроля, техническая диагностика, метод электрического контроля степени загрязнения, ток утечки.

Sirikov A.I. Electric control of the degree of sector pollution of high-voltage standoff isolators under the operating voltage. - The manuscript.

The dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.11.13 - devices and methods testing and determination of composition of materials. - Nnational Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, - 2008.

The dissertation is devoted to a question of improvement of a method of the electric control and development on its basis of system of technical diagnostics of a degree of sector pollution of high-voltage standoff insulator under an operating voltage.

In order to prevent the flashover of the polluted and humidified isolation of the complete switching centers of external installation the periodic scheduled clearing of isolation is used. Defining the moment of the clearing requires the systems of control of the degree of pollution. To eliminate the ambiguity in the estimation of the insulating capability when sector pollution occurs the diagnostic attribute is determined in the thesis. The size of the sector of pollution is defined by the reactive component of the outflow of the surface current. Mathematical models for the analysis of the outflow of the complex surface current are developed. The distribution of running capacity of 10 kV standoff insulator surface is experimentally investigated. The empirical dependence of the size of the sector of pollution on the complex surface current of the outflow at the end of the isolator is received. The system of technical diagnostics of the degree of sector pollution of high-voltage standoff isolators under the operating voltage has been worked out.

Key words: means of control, technical diagnostics, a method of the electric control of a degree of pollution, current of outflow.

Размещено на Allbest.ru

...