Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОСНОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ДЛЯ МОНИТОРИНГА РИСКА ПОВРЕЖДЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

В СЕТИ 6-35 КВ

Д.А. Глухов, Д.Е. Титов, Г.Г. Угаров

АННОТАЦИЯ

пробой изоляция электрический сеть

Состояние вопроса: В связи с переходом сетевых компаний на риск ориентированную систему управления активами возникла необходимость в разработке системы мониторинга риска пробоя изоляции. Учитывая низкую рентабельность модернизации электрических сетей среднего напряжения, проблема выявления диагностического параметра для дистанционной оценки риска пробоя изоляции в таких сетях с использованием существующего оснащения является очень актуальной.

Материалы и методы: Предлагаемый метод оценки риска пробоя изоляции ВЛ 6-35 кВ основан на анализе уровня напряжения нулевой последовательности на шинах энергообъектов.

Результаты: Предложен метод мониторинга риска пробоя изоляции в сети 6-35 кВ путем оценки напряжения НП на шинах энергообъекта. Математически обоснована линейная зависимость напряжения нулевой последовательности на шинах энергообъектов от суммарного тока утечки в сети 6-35 кВ.

Выводы: Разрабатываемая система мониторинга риска пробоя изоляции, позволит снизить аварийность электрических сетей, снизить затраты на проведение планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания электросетевого комплекса.

Ключевые слова: Мониторинг, оценка риска пробоя, изоляция, ток утечки, напряжение нулевой последовательности.

ABSTRACT

JUSTIFICATION OF DIAGNOSTIC PARAMETER FOR MONITORING THE RISK OF DAMAGE INSULATION IN THE NETWORK 6-35 KV

D.A. Glukhov, D.E. Titov, G.G. Ugarov

Background: In connection with the transition of grid companies to a risk-oriented asset management system, there was a need to develop a system for monitoring the risk of insulation breakdown. Given the low profitability of upgrading medium voltage electrical networks, the problem of identifying a diagnostic parameter for remote assessment of the risk of insulation breakdown in such networks using existing equipment is very relevant.

Materials and Methods: The proposed method for assessing the risk of breakdown of the insulation of a 6-35 kV overhead line is based on an analysis of the level of zero-sequence voltage on the tires of power facilities.

Results: A method for monitoring the risk of insulation breakdown in a 6-35 kV network by estimating the voltage of the NP on the tires of the power facility is proposed. The linear dependence of the zero sequence voltage on the tires of power facilities on the total leakage current in the 6-35 kV network is mathematically justified.

Conclusions: The developed system for monitoring the risk of breakdown of insulation, will reduce the accident rate of electrical networks, reduce the cost of preventive maintenance and maintenance of the power grid complex.

Key words: Monitoring, estimation of breakdown risk, insulation, leakage current, zero sequence voltage.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема мониторинга риска отказа изоляции воздушных линий (ВЛ) с изолированной нейтралью, к которым относятся ВЛ 6-35 кВ, всегда была актуальной. На сегодняшний день существуют методы локального мониторинга состояния изоляции, в частности мониторинга по току утечки. Однако, на сегодня отсутствуют эффективные методы и средства мониторинга риска пробоя изоляции (МРПИ) с целью принятия решения о необходимости ее локальной диагностики. Проблема усугубляется нерентабельностью серьезных модернизаций силового и измерительного оборудования рассматриваемого класса напряжения.

В сложившихся условиях разрабатываемые методы МРПИ должны базироваться на имеющемся стандартном оснащении подстанций и сетей, без серьезной модернизации объектов. Таким образом, проводимые исследования направлены на анализ оценки изоляции ВЛ 6-35 кВ путем оценки напряжения нулевой последовательности на шинах энергообъектов, а также на разработку на основе полученных результатов методики непрерывного МРПИ.

Актуальность проблемы

Проблема отказов ВЛ является актуальной[1]. Изучением данной проблемы исследователи занимаются на протяжении множества лет. Анализ результатов исследований [2-7] позволил установить:

1) На ВЛ приходится основная доля отказов электрооборудования (ЭО) [ссылка];

2) Из общей протяженности ВЛ всех классов напряжений наибольшая доля приходится на ВЛ 6-35 кВ [ссылка];

4) Интенсивность отказов ВЛ 6-35 кВ является наиболее высокой [ссылка];

5) Основное количество отказов ВЛ связано с повреждением изоляции и с климатическими воздействиями [8];

4) более половины (51%) от общего числа ВЛ в распределительных сетях находится в эксплуатации уже более 35 лет[2,9].

Основной причиной повреждений на ВЛ является старение ее изоляции. Для устранения данного фактора существует два основных метода, направленных дополнительно для повышения надежности всей сети:

1) модернизация;

2) поддержание высокого уровня остаточного ресурса.

Первый метод несомненно является наиболее приоритетным в условиях высокого уровня износа, но, в то же время, он является и наиболее затратным, что не всегда ставит его на первое место. Второй метод заключается в формировании и использовании в процессе эксплуатации комплекса организационных и технических мероприятий, направленных на повышение срока службы ВЛ.

Основные мероприятия, направленные на поддержание высокого уровня остаточного ресурса:

1) Применение системы планово-предупредительных ремонтов (ППР);

2) Диагностика состояния элементов ВЛ;

3) Теоретическое прогнозирование технического состояния ВЛ на основе вероятностно-статистического анализа.

Применение системы ППР является высокоэффективным средством поддержания на нормируемом уровне остаточного ресурса. Однако, указанная система подразумевает высокие затраты, поскольку алгоритм проведения ремонтов составлен с применением законов «жесткой логики», а это значит, что ВЛ подвержены периодическим капитальным средним и текущим ремонтам без учета условий эксплуатации и остаточного ресурса. Это подразумевает высокие затраты, которых можно избежать, проводя ремонты исходя из фактического состояния ВЛ определенного на основе диагностических данных, прогнозных данных, а также анализа полученных результатов с использованием положений теории рисков, теории принятия решений, а также экономической эффективности.

На сегодняшний день основными методами диагностики состояния изоляции ВЛ являются:

- визуальный осмотр;

- тепловизионный контроль;

- рентгенографическая диагностика;

- ультрафиолетовая диагностика;

- периодические высоковольтные испытания изоляции;

- непрерывный мониторинг посредством измерения токов утечки.

Несомненно, все из перечисленных мероприятий являются локальными методами обследования состояния изоляции. Мониторинг тока утечки в отличие от остальных методов является непрерывным процессом и может быть автоматизирован[3], однако он также как и остальные методы носит локальный характер.

Тем не менее, на сегодня ток утечки является наиболее информативным параметром, отображающим состояние изоляции.

Ток утечки как диагностический параметр

Одним из способов решения задачи оценки состояния изоляции заключается в аппроксимации зависимости полного тока утечки от сопротивления изоляции.

Путь прохождения тока утечки напрямую зависит от способа заземления нейтрали силового трансформатора (СТ), питающего ВЛ. Для ВЛ с заземленной нейтралью указанный ток протекает по контуру фаза-земля-нейтраль, имеющему наименьшее сопротивление, и замыкается в точке соединения обмоток СТ. Для ВЛ с изолированной нейтралью [10] указанный ток утечки протекает по контуру, создаваемому емкостной проводимостью фазных проводов путем фаза-земля-фаза (Рис.1). Следовательно, предельным током утечки для ВЛ с заземленной нейтралью будет являться ток металлического однофазного короткого замыкания, а для ВЛ с изолированной нейтралью - ток металлического замыкания фазы на землю.

Рис. 1. Принципиальная схема простого замыкания на землю

А) - схема металлического замыкания; Б) - упрощённая схема замыкания через сопротивление

Косвенная оценка тока утечки

При моделировании тока утечки необходимо стандартную Т-образную схему замещения ВЛ дополнить регулируемой поперечной проводимостью. Емкостные сопротивления элементов электрической системы значительно превышают их индуктивные и активные сопротивления, что позволяет при определении тока простого замыкания на землю пренебречь последними и, следовательно, считать, что величина этого тока практически не зависит от места замыкания в рассматриваемой электрически связанной сети. Кроме того, так как этот ток относительно мал, при его нахождении можно считать, что напряжение источника сохраняется неизменным[10]. При таких допущениях ток в месте замыкания на землю через сопротивление будет:

(1)

Где - ток утечки; - результирующее емкостное сопротивление нулевой последовательности (НП) всех элементов (практически только линий и кабелей), элек-трически связанных с точкой замыкания; - среднее фазное напряжение той ступени, где рассматривается замыкание на землю; - активное сопротивление изоляции.

Для симметричных составляющих напряжений в точке (непосредственно провод) (Рис 1-Б) имеем:

(2)

(3)

(4)

Где - напряжение прямой последовательности в точке ; - напряжение обратной последовательности в точке ; - напряжение НП в точке .

Составляющая тока и напряжения обратной последовательности в контуре тока утечки фаза-земля-фаза в сетях с изолированной нейтралью отсутствует[10].

На Рис. 2 приведены векторные диаграммы напряжений и токов в месте простого замыкания на землю фазы А. Они построены в соответствии с анализом простого замыкания на землю через сопротивление[10]. С изменением сопротивления концы векторов токов и напряжений скользят по дугам соответствующих окружностей, как показано пунктиром. Треугольник линейных напряжений остается без изменений и лишь перемещается параллельно самому себе в соответствии с перемещением его центра тяжести, положение которого определяется напряжением НП.

Как видно из рисунка, наиболее точными индикаторами увеличения тока утечки являются токи и напряжения НП, а, следовательно, фильтрация и анализ этих величин может стать измеряемым параметром для МРПИ.

Поскольку измерение тока НП в сетях с изолированной нейтралью влечет за собой серьезную модернизацию силового и измерительного оборудования, рассмотрим возможность удаленного МРПИ ВЛ на шинах энергообъекта путем фильтрации и оценки напряжения НП.

Рис. 2. Векторные диаграммы при простом замыкании фазы на землю

а) - напряжений; б) - токов

Для начала выведем зависимость напряжения НП от тока утечки. Для этого выразим значения знаменателей в (1) и (4) путем преобразования указанных выражений и приравняем правые части полученных равенств. После сокращения в каждой части имеем:

(5)

Учитывая, что является неизменной величиной, очевидна прямолинейная зависимость ().

V. Фильтрация напряжения нулевой последовательности

В качестве фильтра напряжения НП можно использовать шинный трансформатор напряжения (ТН). В ТН имеется 2 вторичные обмотки, первая из которых соединяется по схеме звезда с заземлением вывода обмотки фазы В. Вторая обмотка, именуемая иногда дополнительной, соединяется по схеме разомкнутого треугольника, являющегося фильтром напряжения НП (Рис. 3)

Рис. 3. Схема соединения первичной и вторичных обмоток трансформатора напряжения

а) схема соединения; б) - векторная диаграмма напряжений во вторичных обмотках

Напряжение на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений вторичных обмоток. Так как сумма трех фазных напряжений равна утроенному напряжению НП[11], выражая вторичные напряжения через первичные, получаем:

(6)

Где - напряжение на зажимах разомкнутого треугольника; , , - первичные значения фазных напряжений; - коэффициент трансформации ТН.

В нормальных условиях напряжения фаз симметричны, . При ухудшении изоляции возникает несимметрия, обусловленная увеличением комплексного тока утечки через изоляцию на землю и на зажимах разомкнутого треугольника ТН появляется напряжение . Напряжения прямой и обратной последовательностей образуют симметричные звезды и поэтому при суммировании в цепи разомкнутого треугольника всегда дают нуль на его зажимах.

Необходимым условием работы схемы в качестве фильтра НП является заземление нейтрали первичной обмотки ТН. При использовании однофазных ТН с двумя вторичными обмотками, одна из них традиционно соединяется по схеме звезды, а вторая - по схеме разомкнутого треугольника.

Исходя из (5) и (6) запишем итоговую зависимость напряжения на зажимах фильтра НП от тока утечки:

(7)

ВЫВОДЫ

1. Предложен метод мониторинга риска пробоя изоляции в сети 6-35 кВ путем оценки напряжения НП на шинах энергообъекта.

2. Математически обоснована линейная зависимость напряжения нулевой последовательности на шинах энергообъектов от суммарного тока утечки в сети 6-35 кВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Глухов, Д.А. Актуальность прогнозирования долговечности и безотказности электросетевого комплекса сельских электрических сетей/ Д.А. Глухов, А.М. Ниязов// Аграрная наука - инновационному развитию АПК в современных условиях: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Том II: ФГБОУ ВПО ИжГСХА, Ижевск, 2013 г. - 436 с.

[2] Титов, Д.А. К вопросу диагностики линейной изоляции/ Д.А. Титов, К.В. Волхов, А.А. Кудрявцев, В.В. Котоливцев, С.А. Петренко// Электроэнергия. Передача и рапределение, 2017. №6(45) - с.68-72.

[3] Орлович, А.Е. Автоматизированный электрический контроль состояния высоковольтных изоляторов под напряжением/ А.Е. Орлович, С.В. Серебренников, А.И. Сириков// Техническая диагностика и неразрушающий контроль, 2011. №1 - с.48-53.

[4] Гук, Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - с.56-58. (224 с.)

[5] Эдельман, В.И. Оценка надежности энергосистем за рубежом. М.: Информэнерго, 1979. - с 34-42.(84 с.)

[6] Ли, Венюань Вероятностное планирование системы передачи электроэнергии/ Венюань Ли; перевод с английского М.И. Успенского, Н.А. Манова. - Москва:[б.и.], 2016. - 306 с.

[7] Элементы и модели теории вероятностей и математической статистики и надежность электроэнергетических систем / Кавченков В. П. - Смоленск : Универсум, 2015. - 178 с.

[8] Андреев, Д.А. Совершенствование методов расчета эксплуатационной надежности электрооборудования электростанций и подстанций. - Иваново: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2006. - 23 с.

[9] Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе» (протокол от 22.02.2017 № 252) Москва 2017 г. 196 С.

[10] Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. М.: Энергия, 1970. - 513 с.

[11] Дымков, А.М. Трансформаторы напряжения/ А.М. Дымков, В.М. Кибель, Ю.В. Тишенин - М.: Энергия, 1975. - 200 с.[11]

Размещено на Allbest.ru