Методи і пристрої для технічної діагностики та автоматичного керування силовим електрообладнанням

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність проблеми. В умовах сучасного економічного розвитку нашої держави постає глобальне питання про продовження терміну роботи всього енергоємного обладнання в тому числі і електроенергетичного, незважаючи на вичерпання ним робочого ресурсу, особливо, якщо воно ще в задовільному стані і може попрацювати додатково. Тому не випадково ставиться питання про перехід від системи планових ремонтів до системи ремонтів по технічному стану. Але подальша експлуатація електрообладнання понад нормативний строк може призводити до непередбачуваного виходу з ладу з аварійними наслідками.

З метою запобігання аварійних ситуацій застосовуються різні методи і засоби діагностування обладнання і своєчасного виявлення небезпечних дефектів, більшість з яких базуються на підходах, сформульованих ще 30 - 40 років тому. Як показує досвід експлуатації, в сучасних умовах ці методи не завжди дозволяють визначити чи оцінити момент виходу обладнання з ладу або виявити небезпечні дефекти. Розробка нових методів, які дозволяють діагностувати електрообладнання в процесі його експлуатації за допомогою сучасних засобів автоматизації та прийняття рішень, і відповідних їм технічних засобів, що орієнтовані на визначення як дефектів так і залишкового ресурсу обладнання, створює можливість переходу до більш економічної і ефективної стратегії технічного обслуговування електрообладнання за його станом.

Процес діагностування високовольтного силового електрообладнання ускладнюється тим, що не просто визначити, а ще складніше виміряти характерні параметри кожного типу силового електрообладнання, за якими можна було б визначати ступінь спрацювання робочого ресурсу того чи іншого типу електрообладнання. Цей процес ускладнюється тими факторами, що силове електрообладнання працює під високою напругою та під дією потужних електромагнітних полів.

Крім того, в попередні роки дослідження в розрізі діагностування проводилось тільки по окремих видах силового електрообладнання, що також не спрощує можливість визначення технічного стану основного силового електрообладнання.

З іншої сторони активний розвиток економіки неможливий без застосування новітніх технологій, запровадження нової техніки тощо, які вимагають забезпечення паспортних режимів роботи. Тому постає питання про підвищення якості електропостачання споживачів електричної енергії. Враховуючи той факт, що за останні роки оновлення силової частини тракту електропостачання здійснювалось мало, то, враховуючи ослабленість ізоляції і суттєву відпрацьованість робочого ресурсу обладнання, при виході регульованих параметрів електроенергії за допустимі зони повернення їх необхідно здійснювати за коротші терміни.

Актуальною науково-прикладною проблемою, що розв'язується в дисертаційній роботі, є розроблення нових методів і засобів технічної діагностики та автоматичного керування силовим електрообладнанням з метою підвищення надійності і якості електропостачання споживачів електричної енергії.

Окремими складовими, що характеризують вказану проблему і не були розв'язані на день затвердження теми цієї дисертації, є:

- в методологічному аспекті - були відсутні методи діагностування в проекції на задачі автоматичного керування високовольтним силовим електрообладнанням, які враховували б специфіку роботи такого класу обладнання та вимоги часу;

- в математичному аспекті - були відсутні математичні моделі, які дозволяли б визначати робочий ресурс високовольтного силового електрообладнання з врахуванням опосередкованих підходів та здійснювати автоматичне керування високовольтним силовим обладнанням з метою підвищення якості та надійності електропостачання;

- в інженерно-технічному аспекті - була відсутня методологія інженерного синтезу пристроїв для діагностування та автоматичного керування високовольтним силовим електрообладнанням.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи спрямована на підвищення надійності і якості електропостачання шляхом розробки нових методів і засобів діагностування силового електрообладнання та автоматичного керування силовим електрообладнанням, особливістю якого є змінність параметрів.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі задачі:

- проаналізувати існуючі методи і засоби діагностування силового електрообладнання та систематизувати відомі теоретичні підходи, які покладені в основу їх побудови;

- проаналізувати існуючі методи і засоби підвищення якості та надійності систем автоматичного керування електропостачанням споживачів електричної енергії та систематизувати відомі теоретичні підходи, які покладені в основу їх побудови;

- розробити нові методи діагностування силового електрообладнання;

- розробити математичні моделі для визначення залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання;

- розробити нові методи регулювання параметрів режиму в електричних мережах (ЕМ) для досягнення підвищеної якості напруги та надійності електропостачання споживачів електричної енергії;

- розробити математичні моделі законів регулювання параметрів режиму в ЕМ;

- розробити метод синтезу структур пристроїв технічної діагностики та автоматичного керування силовим електрообладнанням з використанням запропонованих математичних моделей;

- синтезувати структури пристроїв для визначення залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання;

- синтезувати структури регуляторів систем підвищення якості та надійності електропостачання споживачів електричної енергії;

- розробити алгоритми та функціональні схеми мікропроцесорних засобів визначення залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання, підвищення якості та надійності електропостачання споживачів електричної енергії.

1. Аналіз існуючих методів і засобів для діагностування та автоматичного керування високовольтним силовим електрообладнанням

Обґрунтовано виділені основні одиниці силового електрообладнання, а саме: високовольтні вимикачі (в тому числі і повітряні), високовольтні вводи, силові статичні конденсатори, розрядники та обмежувачі перенапруги, які забезпечують надійність електропостачання.

Встановлено, що існуючі методи і засоби діагностування силового електрообладнання придатні лише для періодичного визначення технічного стану того чи іншого типу електрообладнання. В переважній більшості кожен із відомих методів передбачає виведення обладнання з роботи з метою встановлення його технічного стану. Для визначення стану тих чи інших параметрів, по значеннях яких приймається висновок про технічний стан, в переважній більшості використовується складне лабораторне обладнання, або обладнання, що використовується стаціонарно в розподільчому пристрої електростанції або підстанції. Характерним є те, що жоден із типів застосовуваного обладнання не дозволяє зробити висновок про величину залишкового робочого ресурсу кожного типу силового електрообладнання. В кращому випадку визначаються значення окремих параметрів, по яких і робиться висновок про можливість продовження або припинення роботи.

Показано також, що існуючі методи і засоби для підвищення якості електропостачання не дозволяють розв'язувати покладену на них задачу, враховуючи вимоги часу. Основною причиною неефективного використання систем регулювання напруги є відсутність відповідних методів регулювання, які враховують сучасний стан електрообладнання, та обережність персоналу при експлуатації силових трансформаторів з пристроями регулювання під навантаженням (РПН), які мають невисоку надійність роботи і вихід з ладу яких призводить до значних матеріальних збитків.

Системи компенсації ємнісних струмів (КЄС) теж не в повній мірі задовольняють вимогам часу до процесу КЄС, оскільки в переважній більшості кабельні лінії мають ослаблену ізоляцію і робота цих ліній на протязі тривалого часу в некомпенсованому режимі призводить до виникнення в них пошкоджень.

На основі виконаного аналізу визначено, що науково-прикладна проблема, яка поставлена у дисертаційній роботі, вимагає вирішення питань у напрямку розробки методів та засобів для неперервного діагностування та автоматичного керування силовим електрообладнанням, особливістю якого є змінність параметрів.

Обґрунтована необхідність пошуку нових рішень в області досліджень.

2. Методи діагностування та математичні моделі основних об'єктів силового високовольтного електрообладнання, а саме: високовольтних вимикачів (в тому числі і повітряних), високовольтних вводів, силових косинусних конденсаторів, розрядників та обмежувачів перенапруги

Створені методи використовують опосередковані параметри для визначення технічного стану силового електрообладнання. Запропоновані моделі придатні для автоматизації процесу діагностування вказаних електроенергетичних об'єктів.

Діагностування високовольтних вимикачів запропоновано здійснювати за математичною моделлю з використанням ресурсної характеристики, яка для повітряних високовольтних вимикачів (ПВВ) являє собою залежність значення кількості комутацій n від значення струму в момент комутації I та тиску стисненого повітря P (n= f (I,P)).

Діагностування силових статичних конденсаторів здійснюється у відповідності до запропонованих методів за тепловим та електричним старінням.

Діагностування силових статичних конденсаторів під дією ЧР здійснюється аналогічним чином, як і для високовольтних вводів, з врахуванням конструктивних особливостей конденсаторів по концентрації розчинених в олії газів Сг.

В роботі розглянуто також питання діагностування силових конденсаторів, які реалізовані в трифазному виконанні і з'єднані по схемі трикутника. Обґрунтовано, що для їх діагностування необхідно застосовувати метод двох ватметрів з вимірюванням спектрів струму та напруги в темпі процесу.

Для діагностування розрядників та обмежувачів перенапруги в роботі запропоновано метод, який передбачає вимірювання струму, що протікає через їх нелінійні елементи, в момент комутації.

Доведено адекватність запропонованих математичних моделей. На конкретних прикладах показано, що похибка у визначенні спрацювання робочого ресурсу об'єктів діагностування опосередкованими методами незначна і теоретичні та практичні результати майже співпадають.

3. Методи підвищення якості і надійності електропостачання та математичні моделі законів регулювання силового електрообладнання зі змінним коефіцієнтом передачі, які призначені для реалізації систем регулювання з метою покращення якості напруги та надійності електропостачання споживачів електроенергії

Відому математичну модель закону керування силовим трансформатором з пристроєм РПН, розроблену Б.І. Мокіним, запропоновано доповнити умовою, яка передбачає перемикання відгалужень трансформатора у випадку, коли регульований параметр - напруга - має ненормоване значення і для її повернення в зону нечутливості за традиційними підходами потрібен тривалий час.

В роботі показано, що коли умову математичної моделі доповнити виразом З1 ? З2, де З1 - затрати, пов'язані зі збитками, обумовленими неякісним електропостачанням споживачів, а З2 - затрати, що виникли в зв'язку з виходом з ладу трансформатора з пристроєм РПН, то це дозволить зменшити кількість перемикань пристрою РПН та збільшити надійність його роботи. Надійність роботи системи регулювання напруги в цілому при цьому не знижується, оскільки ту ж кількість відгалужень пристрою РПН треба перемикати, щоб при зустрічному регулюванні напруга ввійшла в допустимі межі.

Також запропоновано метод та математичну модель, що передбачають одночасне підвищення і якості, і надійності електропостачання споживачів електричної енергії за рахунок дворівневого регулювання напруги за допомогою трансформаторів нижнього рівня, споряджених електронними швидкодіючими пристроями РПН, у споживачів та регулювання за допомогою трансформатора з традиційним пристроєм РПН районної підстанції, команда на перемикання відгалуження якому надається тільки у випадку, коли більшість систем регулювання напруги нижнього рівня вичерпали в одному напрямку свій діапазон регулювання.

Для КЄС з метою підвищення надійності роботи ЕМ в роботі запропоновано метод, який передбачає прискорене налагодження реактора для гасіння дуги (РГД) в квазірезонанс з ЕМ у випадку, коли керування цим реактором здійснюється за фазовим принципом або з використанням цифрової моделі (ЦМ) ЕМ.

Слід зазначити, що запропоновані математичні моделі орієнтовані на КЄС ЕМ з використанням модернізованого РГД типу ЗРОМ, в якому індуктивний струм змінюється за рахунок підключення до його вторинної додаткової обмотки конденсаторів різної ємності, керування якими здійснюється відповідним регулятором.

Очевидно, що запропоновані математичні моделі передбачають діагностування регулювального тракту з метою підвищення надійності процесу КЄС, налагодження регуляторів яких здійснюється в нормальному режимі роботи ЕМ.

Для КЄС в ЕМ розімкнутої конфігурації в роботі запропонована ЦМ ЕМ у вигляді матриці, яка пов'язує значення ємнісного струму ЕМ в залежності від кількості ввімкнених вимикачів, а, отже, і ввімкнених ліній, зі значенням індуктивного струму РГД, який формується в залежності від кількості конденсаторів, що підключені до його вторинної обмотки.

Обчисливши таким чином всі відповідні значення, що формують керувальну дію РГД для кожного стану вимикачів, знаходять матрицю параметрів ЦМ ЕМ.

4. Синтез структури пристроїв для діагностування вищезазначеного силового електрообладнання

Показано, що не існує формальних підходів, які б дозволяли синтезувати структури пристроїв, сигнали в які поступають по аналогових вимірювальних трактах. Очевидно, що кожен пристрій повинен мати необхідну кількість сенсорів та нормуючих первинних перетворювачів, які забезпечують вимірювання необхідних параметрів об'єкта діагностування, і обчислювач, який реалізує кожну відповідну математичну модель.

Обґрунтовано застосування математичного апарату секвенцій для побудови обчислювачів ресурсу згідно математичних моделей об'єктів діагностування і запропоновано до використання метод синтезу структур пристроїв з використанням цього математичного апарату.

В роботі синтезовано пристрої для діагностування ПВВ, групи високовольтних вимикачів за однопараметричною математичною моделлю, пристрої для діагностування високовольтних вводів за кількістю осадку на внутрішній поверхні вводів та за рівнем ЧР в ізоляції, пристрої для діагностування силових статичних конденсаторів за тепловим та електричним старінням, в тому числі для конденсаторів в однофазному та трифазному виконанні, пристрій для діагностування розрядників та ОПН.

Введені позначення відповідають: I1 та I2 - перше та друге значення струму, що перевищує номінальний робочий; P1 та P2 - перше та друге значення тиску стисненого повітря; N - сигнал, який свідчить про здійснення комутації ПВВ; Т1 і 1 - тригер та часова затримка для задавання імпульсів, які відповідають спрацюванню робочого ресурсу ПВВ при комутаціях струмів, значення яких не перевищують номінальний робочий; Т2, Т3, Т4 і Т5 - тригери фіксації першого і другого значень струмів, які перевищують номінальний робочий, та фіксації першого і другого значень тиску стисненого повітря відповідно; Т6 - тригер з двома затримками 2 і 3 сигналу, що моделюють генератор імпульсів; Т7, Т8, Т9 і Т10 - тригери врахування вагових коефіцієнтів; Т11 - тригер формування сигналу закінчення циклу; 4 - затримка сигналу, яка запобігає помилковим спрацьовуванням пристрою; R - сигнал переходу пристрою в початкове положення; Y1 та Y2 - вихідні сигнали пристрою, якими враховується спрацювання робочого ресурсу ПВВ при струмах, менших та більших номінального робочого, відповідно; S0 - S28 - стани обчислювача ресурсу пристрою, що відповідають формальному опису процесу діагностування ПВВ.

Обмежений обсяг автореферату не дає змоги показати всі секвенціальні описи та пристрої, що синтезовані в роботі у відповідності до запропонованих математичних моделей.

Висновки

силовий електричний режимний

В дисертаційній роботі на основі виконаних автором досліджень започатковано нові та розвинуто відомі теоретичні та інженерно-технічні засади в питаннях діагностування та автоматичного керування силовим високовольтним електрообладнанням, завдяки чому вирішена науково-прикладна проблема, яка має важливе народногосподарське значення і полягає у створенні нового класу автоматизованих засобів визначення залишкового робочого ресурсу основного силового високовольтного електрообладнання та його автоматизації з метою підвищення якості і надійності електропостачання споживачів електроенергії.

В теоретичному аспекті розроблено засади діагностування та автоматичного керування силовим високовольтним електрообладнанням, які включають методи діагностування силового електрообладнання, математичні моделі для визначення залишкового робочого ресурсу цього ж обладнання, методи синтезу пристроїв, що використовують ці моделі, математичні моделі та методи регулювання параметрів електричної мережі, які здатні забезпечити підвищення якості та надійності електропостачання, а також метод синтезу регуляторів, що використовують ці моделі.

В інженерно-технічному аспекті розроблено нові алгоритми, структурні схеми пристроїв діагностування та автоматичного керування силовим високовольтним електрообладнанням, функціональні схеми мікропроцесорних засобів діагностування та автоматичного керування силовим електрообладнанням.

При цьому експериментальні дослідження дозволили підтвердити коректність постановки задачі і математичних методів, використаних при доведенні основних наукових положень.

Отже, основні наукові та прикладні результати роботи полягають в наступному:

1. Проаналізовано відомі методи та засоби діагностування і автоматичного керування силовим високовольтним електрообладнанням та теоретичні підходи, що покладено в основу їх побудови. Зроблено висновок, що на сучасному етапі розвитку теорії та техніки актуальним і перспективним є створення нових методів та засобів автоматизованого діагностування і автоматичного керування силовим електрообладнанням.

2. Вперше створено теоретичні засади діагностування силового високовольтного електрообладнання, які включають методи неперервного діагностування силового високовольтного електрообладнання, що передбачають визначення залишкового робочого ресурсу з врахуванням опосередкованих параметрів. Вказані методи відрізняються від відомих використанням нових інформативних параметрів, що підвищує точність у визначенні залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання.

3. Вперше розроблено математичні моделі для визначення залишкового робочого ресурсу високовольтних вимикачів (в тому числі і повітряних), високовольтних вводів, силових косинусних конденсаторів, розрядників та обмежувачів перенапруги. Вказані моделі характеризуються високою точністю у визначенні залишкового робочого ресурсу силового електрообладнання. Доведено адекватність запропонованих моделей.

4. Дістав подальший розвиток метод синтезу структурних схем елементів і пристроїв діагностування та автоматичного керування силовим електрообладнанням із застосуванням математичного апарату секвенцій. На відміну від відомих, запропонований метод дозволяє отримувати мінімізовані структури безпосередньо з аналітичних виразів. Це дозволяє автоматизувати процес проектування структур пристроїв та регуляторів, що і призвело до створення нового класу пристроїв.

5. Дістали подальший розвиток теоретичні засади автоматичного керування силовим електрообладнанням з метою підвищення якості та надійності електропостачання споживачів електроенергії, які включають в себе математичні моделі законів регулювання для здійснення керування об'єктами зі змінними параметрами. На відміну від відомих запропоновані вищезазначені закони регулювання дозволяють забезпечити підвищення одночасно і якості, і надійності електропостачання.

6. Дістала подальший розвиток методологія діагностування високовольтних вводів із застосуванням теорії нечітких множин, що дозволяє приймати рішення про технічний стан високовольтних вводів у випадку, коли традиційна діагностика неспроможна встановити чи підтвердити відповідний діагноз.

7. Дістали подальший розвиток методи оптимізації параметрів систем автоматичного керування силовим електрообладнанням за критерієм мінімального відхилення регульованого параметра і критерієм мінімуму грошових збитків. Вказані методи на відміну від відомих дозволяють отримувати оптимальні параметри регуляторів для роботи систем, які одночасно підвищують і якість, і надійність електропостачання.

8. Дістали подальший розвиток алгоритмічне і апаратне забезпечення систем діагностування силового електрообладнання та регуляторів систем регулювання параметрів об'єктів зі змінним коефіцієнтом передачі, які реалізують запропоновані моделі діагностування електрообладнання та автоматичного керування обладнанням зі змінними параметрами.

9. Впровадження розроблених апаратного та програмного забезпечення дозволили експериментально пересвідчитись в коректності та адекватності використаних підходів до побудови систем діагностування та автоматичного керування силовим електрообладнанням.

Література

1. Грабко В.В., Мокін Б.І. Моделі та системи технічної діагностики високовольтних вимикачів: Монографія .- Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 1999. - 74с.

2. Грабко В.В. До питання побудови ресурсних характеристик повітряних високовольтних вимикачів // Вісник ВПІ. - 2001. - №4. - С.61-65.

3. Грабко В.В. Математична модель повітряних високовольтних вимикачів у задачі їх діагностування // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Електроенергетичні та електромеханічні системи. - 2002. - № 449. - С. 72 - 75.

4. Мокін Б.І., Грабко В.В., Дінь Тхань В'єт Математична модель для визначення вологовмісту маслонаповнених негерметичних вводів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 1995. - № 2. - С. 47-49.

5. Мокін Б.І., Грабко В.В., Дінь Тхань В'єт Математична модель для діагностики герметичних вводів з паперово-олійною ізоляцією конденсаторного типу // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 1995. - № 3. - С. 36-38.

6. Мокин Б.И., Грабко В.В., Динь Тхань Вьет Математические модели и информационно-измерительные системы для технической диагностики трансформаторных вводов. - Винница:“УНІВЕРСУМ-Вінниця”, 1997. - 130с.

7. Грабко В.В., Боцула М.П. Методи та інформаційно-вимірювальні системи для технічної діагностики силових косинусних конденсаторів. Монографія. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2003. - 146с.

Размещено на Allbest.ru