филиал
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский университет«МЭИ»
в городе Смоленске
кафедра Электроэнергетических систем (ЭЭС)
Андреенков Евгений Сергеевич
аспирант, ассистент кафедры ЭЭС
Шунаев Сергей Анатольевич
аспирант, ассистент кафедры ЭЭС
исследования в области технических наук
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ПОДВЕСНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ ЛЭП ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НАПРЯЖЕНИЕМ 110-750 кВ
Смоленск 2014
Авторы научной работы
Андреенков Евгений Сергеевич
Шунаев Сергей Анатольевич
Актуальность и проблематика научной работы.Одной из основных и перспективных функций системы самодиагностики ЛЭП является обобщенный контроль технологических и технических параметров высоковольтного оборудования, которое составляетединую цепь передачи и преобразования электрической энергии от поставщика к потребителю.
В связи с достаточно большими техническими сложностями организации телеметрического контроля параметров воздушных линий, и с большой их протяженностью, диагностика дефектов и оценка технического состояния ЛЭП под рабочим напряжением всегда требует применения самых эффективных технических решений.
Очень важной для эксплуатационных и ремонтных служб является информация не только о факте наличия проблем в подвесной изоляции воздушной линии. Ремонтный персонал нуждается в максимально точной информации о месте возникновения дефекта в линии. Поэтому развитие телеметрических методов профилактического контроля изоляции является актуальным.
Целью данной научной работы является создание устройства телеметрического контроля состояния подвесной изоляции линий электропередач и распределительных устройств.
Решение данной проблемы требует её декомпозиции на несколько взаимосвязанных локальных задач:
оценка методов диагностики подвесной изоляции высоковольтных ЛЭП, регламентированных в настоящее время;
создание математических моделей подвесных гирлянд изоляторов, отражающих основные физические процессы при пробое изолятора;
выявление на основе полученных моделей критериев повреждения изоляторов;
создание принципиальных и функциональных схем систем диагностики подвесной изоляции, работающих на основании выявленных критериев и зависимостей. Выбор схемы, наилучшим образом удовлетворяющей поставленным задачам и технико-экономическим критериям.
Научная новизна.
Произведен анализ технологических нарушений ЛЭП за период 2002-2012г и выявлены основные причины повреждений подвесной изоляции. Произведена адаптация модели подвесной изоляции для расчета электрического поля в рамках поставленной задачи. Предложен вариант системы диагностики подвесной изоляции ВЛ. В отличие от существующих систем предлагаемый метод подразумевает установку приемно-контрольного устройства вблизи каждой гирлянды изоляторов.
Методы исследования.Использованные в работе методы основаны на совокупности теории электрических цепей, управления, методах математического и физического моделирования, имитационного проведения вычислительных экспериментов, экспертного анализа, эксперимента с использованием современных компьютерных средств.
Материалы исследования.
Анализ технологических нарушений в работе воздушных линий электропередач за период 2002-2012г. показал, что за рассматриваемый период зарегистрировано почти 9,5 тыс. случаев технологических нарушений на ВЛ 110-750 кВ, связанных с повреждениями элементов ВЛ: опор, проводов, грозозащитных тросов, гирлянд изоляторов, линейной арматуры.
За рассматриваемый период было зафиксировано 2808 случаев повреждения гирлянд изоляторов, что составило 29,7 % (рис. 1) от общего количества повреждений всех элементов ВЛ. Было повреждено: гирлянд фарфоровых изоляторов 1483; гирлянд стеклянных изоляторов 814; полимерных линейных изоляторов 511.
В результате исследования установлены следующие основные причины повреждения гирлянд изоляторов: атмосферные перенапряжения, расстрел изоляторов, дефекты изготовления и монтажа, старение, загрязнение изоляции, посторонние воздействия и недостатки эксплуатации.
Рисунок 1 – Обобщенные данные о повреждаемости элементов ВЛ.
Подвесные тарельчатые фарфоровые изоляторы практически исчерпали свой ресурс. Почти в каждой гирлянде изоляторов можно найти как минимум один нулевой. Такие гирлянды с большой степенью вероятности разрушаются при протекании через нулевой изолятор тока в результате перекрытия гирлянды. Выявление нулевых изоляторов является трудоемкой работой, которую, однако, необходимо проводить постоянно.
Причины отключений ВЛ остаются неустановленными в четверти случаев отключений. Действительно, определить место перекрытия при успешном автоматическом повторном включении ВЛ бывает очень непросто. Предполагается, что изолирующие подвески, на которых произошло перекрытие, могут быть обнаружены по разрушенным изоляторам или следам ожога дугой. Однако опыт эксплуатации показал, что значительное число перекрытий гирлянд стеклянных изоляторов не приводит к их разрушению или образованию заметных с земли следов дуги, в том числе, из-за высокого быстродействия РЗ.
Недостаточная эффективность визуальных осмотров усугубляется отсутствием баз данных, системы фотодокументирования и обработки диагностических данных.
Распространенным инструментальным методом непосредственного контроля является использование изолирующих штанг, причем как с отключением линии, так и под напряжением. По измеренной величине напряжения, приходящегося на изолятор, можно судить о его качестве: дефектные изоляторы либо совершенно не держат напряжения («нулевые» изоляторы), либо держат напряжение небольшой величины. Однако подключение искрового промежутка штанги вызывает искажение электрического поля гирлянды изоляторов и приводит к погрешности измерений. Далее, в сухую погоду наличие некоторых дефектов и даже необуглероженных каналов пробоя фарфоровой изоляционной детали никак не отражается на величине напряжения, регистрируемого измерительной штангой на изоляторах, особенно в средней части гирлянды. Известно также, что при измерениях в сухую погоду сопротивление изолятора остается больше нормируемого значения 300 МОм даже при наличии сквозной трещины. Кроме того, использование метода контроля изоляции штангами ограничивается требованиями обеспечения безопасности.
Альтернативной методикой является тепловизионный контроль. Метод основан на дистанционном определении радиационной температуры изоляции с использованием телевизоров или пирометров. Главный недостаток состоит в неоднозначности критериев контроля. Нулевые изоляторы в гирляндах могут быть как холоднее, так и теплее исправных изоляторов. Многое также зависит от погодных условий, загрязнения поверхности и т.д. Градиент температуры между исправными и пробитыми изоляторами очень невелик: 0,1 – 0,4 0С, что близко к пределу разрешающей способности тепловизоров. Так же неэффективны тепловизионные методы для обнаружения короны, которая появляется, как правило, в дефектных элементах ВЛ и ОРУ.
Возникновение различного рода дефектов приводит к усилению разрядных процессов на частях оборудования, находящихся под потенциалом. Поэтому сам факт возникновения коронного разряда (КР) и поверхностного частичного разряда (ПЧР) или усиление их интенсивности можно использовать для выявления дефектной или сильно загрязненной внешней изоляции.
В настоящий момент для диагностических целей регламентирован оптический метод контроля. Из трех возможных дистанционных способов контроля оборудования, основанных на регистрации КР и ПЧР, оптический отличается от электромагнитного и акустического большей чувствительностью и пространственной разрешающей способностью. Для реализации способа в регистрирующей аппаратуре используют высокочувствительные приемники оптического излучения, в частности, электронно-оптические преобразователи (ЭОП).
Однако данный метод обладает рядом недостатков. В частности, его использование возможно только в ночное время суток; наиболее достоверные оценки степени загрязнения, по величинам тока утечки, возможны только при определенных метеоусловиях (туман, роса); контроль полимерных изоляторов следует производить при относительной влажности воздуха более 80 %, положительных температурах и, желательно, при наличии осадков.
Трудоемкость, повышенная опасность и необходимость для ряда методов отключения оборудования от напряжения обусловливают недостаточную эффективность рассмотренных методов.
Очень важной для эксплуатационных и ремонтных служб является информация не только о факте наличия проблем в подвесной изоляции воздушной линии. Ремонтный персонал нуждается в максимально точной информации о месте возникновения дефекта в линии. Поэтому развитие телеметрических методов профилактического контроля изоляции является актуальным.
Единственным способом определения текущего технического состояния высоковольтного оборудования, применимым в режиме online, является использование современных систем диагностического мониторинга, функционально дополняющих уже существующие системы РЗА и диспетчерского управления.
Далее следует рассмотреть несколько, сравнительно недавно разработанных, методов диагностики состояния воздушных линий, основанных на анализе импульсных и переходных процессов в линиях. Очень интересной для практики является оперативная оценка технического состояния подвесной изоляции линии в режиме online.
По сравнению с рассмотренными выше методами периодического контроля изоляции ЛЭП, постоянный мониторинг является более предпочтительным. Это связано с тем, что наихудшие параметры подвесная изоляция имеет в момент воздействия на нее неблагоприятных атмосферных условий, когда стандартные диагностические осмотры и обследования затруднены.
Таким преимуществом обладает современный метод диагностики подвесной изоляции основанный на регистрации высокочастотных импульсов (ПЧР), которые всегда возникают в зоне дефекта, особенно на первом этапе его развития. Метод заключается в определении разницы во времени прихода высокочастотных импульсов к двум датчикам, расположенным на краях контролируемого участка ЛЭП. Точность такого метода составляет 1 – 2% от протяженности ВЛ, что в свою очередь требует дополнительных изысканий для точного определения поврежденной гирлянды.
Чем с меньшей энергией необходимо зарегистрировать разряды, и чем большей длиной обладает контролируемая линия, тем больше на ней потребуется установить импульсных датчиков.
В итоге, существующие методы диагностики требуют серьезной модернизации. Кроме того, необходимо переходить к многоагентным системам контроля и диагностики подвесной изоляции.
К таким методам можно отнести разрабатываемый на кафедре электроэнергетических систем Смоленского филиала НИУ МЭИ метод телеметрического контроля, основанный на удаленном способе измерения параметров подвесных изоляторов, позволяющий с достаточно высокой точностью локализовать место повреждения изоляции воздушных линий и распределительных устройств.
В основе метода лежит предположение о перераспределении электрического поля на гирлянде содержащей нулевой изолятор. Распределение напряжения вдоль гирлянды описывается законом:
 (1)
где ; C1– емкости металлических элементов изоляторов относительно заземленных частей сооружения (опоры); C2– емкости этих же элементов относительно частей установки, находящихся под напряжением (проводов, арматуры); К – собственные емкости изоляторов; i – номер изолятора, считая от провода; n – число изоляторов в гирлянде.
Исходя из (1) можно получить распределение, показанное на рис.2.
Анализ рисунка показывает, что при наличии нулевого изолятора в гирлянде, повышается напряжение на исправных изоляторах, следовательно, и напряженность электрического поля вблизи изоляторов увеличивается.
1 – все изоляторы исправны; 2 – с наличием «нулевого» изолятора.
Рисунок 2 – Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов.
Таким образом, установив датчик напряженности электрического поля вблизи гирлянды изоляторов можно судить о наличии дефектных изоляторов. Однако, остается вопрос о месте размещения таких датчиков вдоль гирлянды.
Электрические поля в рассматриваемой конструкции хорошо описывается уравнениями электростатики
 (2)
 (3)
где U – электрический потенциал, E – вектор напряженности электрического поля.
Поскольку гирлянда изоляторов является телом вращения, то при расчете электрического поля целесообразно применить цилиндрическую систему координат.
Уравнение для потенциала в условиях цилиндрической симметрии можно записать в цилиндрической системе координат с двумя независимыми переменными в виде
 (4)
Решением данного уравнения с помощью метода конечных элементов в программе COMSOLMultiphysics получено распределение напряженности электрического поля вдоль гирлянды изоляторов (рис. 3). Полученное в результате распределение позволяет определить оптимальное место установки датчиков контроля напряженности.
Рисунок 3 – Распределение напряженности электрического поля вдоль гирлянды изоляторов ЛЭП 110кВ.
Предлагается снабдить каждую гирлянду изоляторов датчиком контроля напряженности электрического поля, который позволит локализовать гирлянду с нулевым или поврежденный изолятором (рис.4).
Рисунок 4 – Принципиальная схема системы контроля подвесной изоляции ЛЭП.
Таким образом формируется система датчиков, которые будут связаны по каналу беспроводной передачи данных между собой и с центром обработки данных. Предлагаемая система позволит точно определить дефектный изолятор, в отличие от других диагностических систем, имеющих точность локализации 1-2% от протяженности линии.
По итогам исследования получены следующие результаты:
установлена зависимость между появлением «нулевого» изолятора и перераспределением электрического поля вдоль всей гирлянды;
разработана технико-экономическая стратегия построения системы диагностики подвесной изоляции высоковольтных ЛЭП.
Техническая значимость заключается в том, что предлагаемый метод телеметрического контроля основан на удаленном способе измерения параметров подвесных изоляторов и позволяет с достаточно высокой точностью локализовать место повреждения изоляции воздушных линий и распределительных устройств.
Кроме того, такая система создает дополнительную инфраструктуру для передачи диагностической информации вдоль ЛЭП, что позволяет использовать ее для получения данных о состоянии проводов (температура, толщина стенки гололеда, стрела провеса и т.д.). Данную разработку предполагается использовать в дальнейшем для создания системы комплексной диагностики ЛЭП. Такая система позволит минимизировать затраты на обслуживание, дистанционно управлять техническим состоянием и сроком жизни оборудования.
В результате реализации предлагаемого метода контроля изоляции предполагается существенное снижение эксплуатационных издержек, связанных с оплатой труда выездных бригад в ночное время и использованием техники для их доставки в отдаленные районы распределительных сетей.
Точная локализация аварийного участка позволяет снизить время поиска повреждения и тем самым снизить время отключения и минимизировать возможный ущерб от недоотпуска электроэнергии.
Список
№ п/п
|
Название работы, ее вид
|
Форма
работы
|
Выходные данные
|
Объем
|
Авторы
|
1.
|
Модель электромагнитного поля подвесной изоляции ЛЭП для реализации системы самодиагностики ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения
|
Печ.
|
«Энергетика, информатика, инновации-2014»
Сб. трудов Международной научно-технической конференции.–Смоленск, 2014.
|
3с
|
Андреенков Е.С.
Шунаев С.А.
|
2.
|
Сравнительный анализ численных методов расчета электрических полей
|
Печ.
|
«Энергетика, информатика, инновации-2014»
Сб. трудов Международной научно-технической конференции.–Смоленск, 2014.
|
3с
|
Андреенков Е.С.
Шунаев С.А.
|
3
|
Сравнительный анализ методов диагностики подвесной изоляции ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения
|
Печ.
|
«Энергетика, информатика, инновации-2014»
Сб. трудов Международной научно-технической конференции.–Смоленск, 2014.
|
3с
|
Андреенков Е.С.
Шунаев С.А.
|
4
|
Контроль состояния подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока напряжением 110-750 кВ
|
Печ.
|
Сборник тезисов докладов национального конгресса по энергетике 2014. – Казань, 2014.
|
3с
|
Андреенков Е.С.
Шунаев С.А.
|
публикаций по теме научной работы |
