Стрельникова Галина Анатольевна

АВТОРЕФЕРАТ

Актуальность темы

Анализ статистики повреждаемости электрооборудования показывает, что значительная доля коротких замыканий (к.з.) связана с возникновением дефектов изоляции в сети 6-10 кВ. Поэтому своевременное выявление и устранение этих дефектов позволит предотвратить значительную часть повреждений. Однако для оценки степени деградации изоляции необходимо выполнение на работающем оборудовании непрерывного автоматического контроля, обеспечивающего выявление дефектов на ранней стадии развития. Только в этом случае может быть получен ожидаемый эффект и повышение надежности работы электроустановок. Для реализации непрерывного контроля требуется разработка специальных методов и средств контроля.

Для дальнейшего повышения надежности функционирования электрических систем требуется внедрение эксплуатационного мониторинга, технической диагностики и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования. Значительное количество повреждений в узлах электрических систем с двигателями (УЭСД) возникает вследствие развития локальных или распределенных дефектов изоляции кабелей и обмоток электродвигателей. Предотвратить возникновение таких повреждений можно благодаря своевременному выявлению дефектов и их устранению. Для оценки состояния кабелей и прогнозирования их работоспособности используют различные методы. Основным недостатком этих методов является необходимость отключения оборудования. Обнаружение дефектов изоляции без отключения оборудования выполняют по изменению параметров рабочего режима электрооборудования. Для определения возможных диапазонов изменения параметров режима и настройки средств диагностирования используют данные, получаемые экспериментальным путем и в результате математического моделирования рабочих режимов УЭСД. Однако имеющаяся математическая модель не позволяет выполнять исследования рабочих режимов при изменении места локального дефекта изоляции по длине фазы кабеля или обмотки статора электродвигателя. Кроме того, принципы отстройки средств диагностирования от внешних дефектов требуют дальнейшего совершенствования, для чего необходимо выявление закономерностей изменения параметров также путем выполнения моделирования различных рабочих режимов.

Цели и задачи исследования

Задачей данного исследования является разработка путей повышения точности определения комплексных проводимостей изоляции присоединений кабель-двигатель из системы уравнений текущего состояния. Предложенный учёт статической и динамической несимметрии выполняется путём введения коэффициентов несимметрии. Эти коэффициенты  определяются в реальном времени по току обратной последовательности I₂.

Уже разработаны методы определения проводимостей изоляции присоединений нагрузки по режимным параметрам, но они дают точные результаты только при симметричности фаз. В реальных условиях практически всегда присутствует несимметрия, поэтому расчёты этими методами дают большие погрешности.

Научная новизна и практическая ценность

Основой магистерской работы является алгоритм, использующий значения фазного тока присоединения с повреждением, напряжения фаз относительно земли, а также тока обратной последовательности для известного режима распределительной сети. Он позволяет однозначно выявлять дефект изоляции, поэтому возможно его применение при создании как отдельной экспертной системы определения локальных дефектов изоляции, так и внедрение в существующие микропроцессорные устройства защиты, автоматики, контроля и управления присоединений 6-10 кВ.

Обзор существующих методов решения аналогичных задач

Большинство существующих методов и средств контроля изоляции реагируют на состоявшееся повреждение и не позволяют выявить наметившееся снижение уровня изоляции и определить место этого снижения. Для оценки состояния кабелей и прогнозирования их работоспособности используют различные методы, основным недостатком которых является необходимость отключения оборудования.

Известные методы определения комплексной проводимости изоляции имеют недостатки, которые не позволяют их применять для непрерывного контроля, а также они не пригодны для присоединений кабель-двигатель и кабель-трансформатор. Например, способы определения параметров изоляции фаз сети относительно земли основаны на создании временной несимметрии путём подключения ёмкости между одной из фаз и землёй. Для реализации этих способов необходимо отключение присоединения на время выполнения измерений. Также предложен способ определения проводимости изоляции по отношению к земле по результатам измерения текущих значений режимных параметров в начале и конце линии. Способ применим для транзитных линий. При его применении на присоединениях типа кабель-двигатель или кабель-трансформатор может контролироваться состояние изоляции только кабеля. Но и в этом случае требуется дополнительная установка измерительных трансформаторов напряжения или отключение присоединения для выполнения измерений.

Рассмотрим существующий метод математического моделирования локальных и распределённых дефектов электрической изоляции в узлах электрических систем с двигателями. Моделирование выполнено с использованием основ теории подобия. В качестве основных исходных данных при моделировании используются следующие:

·   схема первичных соединений узла электрической системы с двигателями;

·   номинальные и другие технические данные источника питания, кабельных и воздушных линий, электродвигателей и другой нагрузки;

·   конфигурация узла электрической системы в различных рабочих режимах питающей сети и технологического процесса.

Математическое моделирование рабочих режимов узла при наличии дефектов изоляции выполняется в следующей последовательности:

·   разделение элементов электрической схемы узла на характерные группы в соответствии с типичной схемой замещения, используемой в модели;

·   определение комплексных продольных и поперечных проводимостей элементов узла;

·   эквивалентирование параметров элементов узла в соответствии с выполненным разделением элементов по группам;

·   задание диапазона изменения проводимостей для моделирования режимов с дефектами изоляции;

·   выполнение расчетов рабочих режимов при изменении степени дефекта и места его возникновения.

Математическое моделирование рабочих режимов узла электрической системы с двигателями позволяет исследовать зависимость параметров режима (векторов токов фаз, векторов напряжений фаз по отношению к земле) в различных элементах узла от степени и места возникновения дефекта электрической изоляции. В модели узла имеется возможность учета различного режима нейтрали: изолированная нейтраль; соединение нейтрали с землей через дугогасящий реактор или через активное сопротивление и т.д. В схеме замещения элементы узла (линии и нагрузки) представлены комплексными продольными и поперечными проводимостями. Ведение в схему замещения продольных проводимостей элементов обеспечивает соответствие моделируемых режимов реальным режимам нагрузки.

На рис.1 представлена усовершенствованная схема замещения УЭСД, которая позволяет моделировать рабочие режимы с дефектами изоляции в любой фазе и точке линии (кабеля) присоединения или обмотки нагрузки (обмотки статора электродвигателя). В схеме имеется 31 ветвь, 11 узлов и  12-м узлом является земля.

На рис.1 приняты следующие обозначения: – фазные э.д.с. и комплексные проводимости фаз источника питания; – комплексные продольные проводимости фаз нагрузки соответственно присоединения без дефекта и эквивалентной группы;– комплексные проводимости изоляции фаз относительно земли соответственно присоединений без дефекта изоляции и эквивалентной группы; комплексные продольные проводимости фаз специального трансформатора для создания искусственной нейтрали; – комплексная проводимость между искусственной нейтралью и землей.

При моделировании локального дефекта в кабеле или в обмотке статора электродвигателя присоединения схема замещения разбивается на две части: до места дефекта и после места дефекта (рис.1). В каждой из этих частей линия (кабель) и нагрузка (двигатель) представлены Г-образной схемой замещения. Изменение параметров этих частей пропорционально расстоянию (b) от начала элемента до места дефекта (пропорционально количеству витков обмотки от ее начала до места дефекта) соответствует изменению места дефекта изоляции. Для сокращения числа узлов в схеме замещения каждой фазы присоединения с дефектом изоляции предварительно выполнены преобразования схемы соединения сопротивлений в звезду в эквивалентную схему соединения в треугольник. В результате соответствующие проводимости для фазы А (рис.1) определяются по формулам:

Здесь Z_АН и Z_АЛ – комплексные сопротивления фазы А соответственно нагрузки и линии; Z_АИН и Z_АИЛ – комплексные сопротивления изоляции фазы А по отношению к земле соответственно нагрузки и линии; Z_ДА – комплексное сопротивление дефекта изоляции фазы А.

Адекватность математической модели УЭСД подтверждается на основании сопоставления результатов проведенных на физической модели опытов рабочих режимов при возникновении замыканий на землю и дефектов изоляции в обмотке статора электродвигателя на различной удаленности дефектов от линейных выводов обмотки. Максимальное отличие результатов расчетов от опытных данных рабочего режима при замыкании на землю имеет место в токе нулевой последовательности и составляет 16,8 % при замыкании в середине обмотки и 14,5 % - при замыкании вблизи нулевых выводов. При замыканиях во всех остальных точках обмотки отличие не превышает 9,6 %. При моделировании дефектов изоляции значения отличий расчетных и опытных данных токов и напряжений имеют примерно такие же значения, как и при замыканиях. Основной причиной отличий опытных и расчетных данных является приближенный учет в математической модели имеющейся несимметрии продольных и поперечных проводимостей фаз физической модели в режиме без дефектов изоляции. Такой учет обусловлен сложностью точного определения несимметрии.

Выводы

1.     Предложена усовершенствованная математическая модель узла электрической системы с двигателями, позволяющая выполнять моделирование рабочих режимов присоединений в случае возникновения распределенных и локальных дефектов изоляции. Адекватность модели подтверждена сравнением расчетных и опытных данных.

2.     На основании математического моделирования рабочих режимов в узлах электрических систем с двигателями получены зависимости параметров режимов присоединений кабель-нагрузка от степени дефекта изоляции и места его возникновения, позволяющие разрабатывать принципы выявления локальных и распределенных дефектов изоляции.

3.     Определены зависимости величины тока нулевой последовательности, а также угла сдвига фаз между вектором тока нулевой последовательности и вектором линейного напряжения от степени и места возникновения дефекта изоляции.

Существует также метод непрерывного определения комплексных проводимостей изоляции в рабочих режимах электрических присоединений 6-10кВ. Это метод оперативной оценки состояния изоляции электрических присоединений 6-10кВ, основанный на непрерывном расчете комплексных проводимостей изоляции фаз по результатам периодического измерения мгновенных значений фазных токов и напряжений фаз по отношению к земле. Параметры изоляции определяются в результате решения системы линейных алгебраических уравнений итерационными методами. Метод контроля может использоваться на электрических присоединениях любого типа и не требует дополнительной установки измерительных трансформаторов.

Были проведены исследования зависимости параметров рабочего режима присоединения 6-10 кВ от наличия дефектов в электрической изоляции. Обычно при диагностировании электрооборудования без его отключения выполняется контроль диэлектрических характеристик изоляции, интенсивности частичных разрядов и при использовании масла в каком-нибудь оборудовании анализируется его состав. Качество изоляции оценивается изменением ее диэлектрических характеристик (активной и реактивной проводимости и ). Эти изменения приводят к увеличению токов нулевой последовательности, для измерения которых в эксплуатации обычно имеются стационарные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП). Применение ТТНП позволяет отстроиться и практически не учитывать рабочие токи электрооборудования.

Распределение электроэнергии среди объектов непосредственного ее потребления (электродвигатели, осветительные приборы, преобразователи частоты и т.д.) выполняется кабельными или воздушными линиями 6-10 кВ. Между линиями и этими объектами потребления коммутационные аппараты обычно не устанавливаются. Поэтому управление, контроль и защита объектов выполняется как одного объекта - присоединения. Как правило, измерительные трансформаторы тока (фазные и нулевой последовательности) устанавливаются только в начале линии со стороны источника питания. На самих же объектах трансформаторы тока обычно отсутствуют. Для управления и защиты используются измерительные трансформаторы напряжения секций 6-10 кВ и в редких случаях предусматриваются трансформаторы напряжения, подключаемые к выводам обмотки статора мощных электродвигателей. Учитывая эту сложившуюся ситуацию, для выполнения непрерывной диагностики целесообразно использовать эти же измерительные трансформаторы тока и напряжения. В этом случае в зону диагностирования будет входить все присоединение, т.е. линия и объект электропотребления. В связи с этим необходимо выполнить исследования, подтверждающие, что при таком ограниченном количестве датчиков тока и напряжения, которые изначально не предназначались для их использования в задачах диагностирования, можно не только выявлять возникновение дефектов изоляции, но и определять их место.

Комплекс эксплуатационных воздействий на изоляцию (нагрев, загрязнение, увлажнение, вибрация и т.д.) приводит к ухудшению ее состояния и в первую очередь к ухудшению ее диэлектрических характеристик. В схемах замещения изоляция обычно представляется в виде различных комбинаций последовательных и параллельных соединений емкостей и активных сопротивлений. Поэтому изменения характеристик изоляции моделируются путем снижения величины емкости фазы по отношения к земле или другим элементам или путем увеличения активной проводимости изоляции. Очевидно, что различные дефекты изоляции приводят к различным отклонениям величины соответствующих емкостей и активных сопротивлений. Существует также зависимость указанных величин от места или объема дефекта изоляции.

Чтобы оценить какое влияние на величину и фазу токов нулевой последовательности оказывают параметры изоляции кабеля и двигателя различных присоединений 6 кВ собственных нужд блока 300 МВт, выполнены ориентировочные расчеты. Полученные данные показывают, что для присоединений двигателей мощностью до 2000 кВт частичная емкость фазы кабеля на оболочку значительно больше, чем емкость фазы двигателя. Для присоединений более мощных двигателей емкостная проводимость изоляции кабеля соизмерима или даже ниже, чем емкостная проводимость изоляции двигателя. В соответствии с этими данными можно сделать очевидный вывод о том, что одинаковый по изменению емкости дефект изоляции в кабеле или в двигателе приведет к различным изменениям амплитуды и фазы тока нулевой последовательности присоединения.

Высоковольтные кабели являются достаточно герметичными конструкциями, поэтому следует считать, что повышение активной проводимости их изоляции возможно только в местах нарушения герметичности. Ввиду меньшей герметичности двигателей 6-10 кВ, а также с учетом того, что они работают обычно в агрессивных средах, следует ожидать более частым и значительным повышение активной проводимости их изоляции, чем реактивной проводимости.

Выводы

    1.Выполненные исследования подтвердили возможность выявления дефектов изоляции присоединений 6-10 кВ в рабочих режимах по изменению амплитуды и фазы тока нулевой последовательности. При этом дефекты изоляции обмоток статора электродвигателей в большей степени оказывают влияние на изменение активной проводимости по сравнению с изменением реактивной проводимости присоединения.

    2. Реальные соотношения параметров изоляции элементов присоединений 6-10 кВ собственных нужд ТЭС показывают, что в нормальном режиме реактивную проводимость всего присоединения в большинстве случаев определяет величина частичной емкости фазы кабеля на его оболочку. У присоединений с двигателями мощностью более 2000 кВт емкостная проводимость изоляции кабеля и двигателя соизмеримы.

    3. Периодический нагрев и охлаждение кабелей с бумажной изоляцией, пропитанной маслоканифольным компаундом, приводит к постепенному замещению жидкой пропитки воздухом, появлению воздушных включений в изоляции и деформации оболочки кабеля. В результате этого происходит снижение величины емкости жилы кабеля по отношению к оболочке и другим жилам, а, следовательно, изменяется амплитуда и фаза тока нулевой последовательности присоединения.

Заключение. Планируемый результат

Надежность систем электроснабжения во многом определяется безаварийной работой линий   электропередачи,   значительную   часть   которых   составляют   распределительные   сети напряжением 6—35 кВ. Известно, что большая часть повреждений в системах электроснабжения (примерно до 80% от общего числа повреждений) приходится именно на распределительные сети.

Наиболее  распространенным  видом  повреждения  в  этих  сетях  являются  однофазные  замыкания  на  землю,  которые  заканчиваются  пробоем  изоляции  в  ее  ослабленных  местах.  Подобные  повреждения происходят из–за  старения  изоляции, поэтому до сих пор  остается  актуальной задача обеспечения эффективного непрерывного контроля состояния изоляции и на его основе своевременного обнаружения и устранения дефектов изоляции.

Большинство  существующих методов  и средств  контроля  изоляции  реагируют  на  состоявшееся повреждение и не позволяют выявить наметившееся снижение уровня изоляции и определить место этого снижения. Кроме того, для реализации каждого метода требуется или установка   дополнительного   оборудования,   или   введение   при   некоторых   схемах   измерения оперативного тока, ухудшающего качество электроснабжения потребителей.

Разрабатываются пути повышения точности определения комплексных проводимостей изоляции присоединений кабель-двигатель с помощью системы уравнений текущего состояния. Предложенный учёт статической и динамической несимметрии выполняется путём введения коэффициентов несимметрии. Произведены первичный анализ результатов, получаемых при использовании рассмотренного метода и лабораторные исследования. В дальнейшем планируется произвести более глубокий анализ метода, дать наиболее достоверную и окончательную оценку его работы, в том числе и погрешность получаемых результатов. Конечной целью магистерской работы является создание программного продукта, готового для экспериментального, а в дальнейшем и повсеместного внедрения в системы релейной защиты и автоматики.

В настоящее время (апрель 2007 г.) магистерская работа находится в стадии разработки. Окончательный вариант будет готов осенью 2007 года. С вопросами можно обращаться непосредственно ко мне e-mail или к руководителю магистерской работы.

      Литература

1.  Сидоров А.И., Хусаинова Н.А., Шестаков А.Л. Определение сопротивления изоляции по отношению к земле сетей с изолированной нейтралью 6-35кВ по режимным параметрам. – Известия Челябинского Научного Центра, 2000, N1 http://csc.ac.ru/news/2000_1/2000_1_8_1.pdf

2. Гребченко Н.В. Математическое моделирование локальных и распределенных дефектов электрической изоляции в узлах электрических систем с двигателями // Збірник наукових праць Донецького національного технічного університету. Серія: Електротехніка і енергетика, випуск 79: Донецьк: ДонНТУ. - 2004. - С. 55-62.

3. Лебедев Г.М., Бахтин Н.А., Брагинский В.И. Математическое моделирование локальных дефектов изоляции силовых кабелей 6-10 кВ. - Электричество - 1998. - №12. - С. 23-27.

4. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ.- М.: Энергоатомиздат, 1987.- 248 с.

5. Пат. 2136011 RU, МКИ G 01 R 31/02. Способ определения активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз сети относительно земли / Лапченков К.В., Сидоров А.И. (РФ); Челябинск. гос. тех. универ-т.- № 97109365/09; Заявл. 11.06.97; Опубл.27.08.99 Бюл. № 24. – 8 c.

6.  Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ.- М.: Энергоатомиздат.- 1986.-128 с.

7. Сидоров А.И., Хусаинова Н.А. Определение проводимости изоляции по отношению к земле для сетей напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью / Электричество.-2001.-№ 5. С.12-18.

8. Гребченко Н.В., Сидоренко А.А. Интеллектуальная система для определения места и степени локальных дефектов изоляции в сети с изолированной нейтралью. Доклад представлен на XVII научно-техническая конференции "Релейная защита и автоматика энергосистем 2006" Москва - 16-19 мая 2006г
http://rza.so-cdu.ru/docl_PDF/dokl_1.pdf

9. Гребченко Н.В. Выявление замыканий на землю и локальных дефектов изоляции узлов электрических систем с двигателями. VIII Симпозиум «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 2010», Сборник тезисов 24 мая – 26 мая 2005 года.

10. Гребченко Н.В. Исследования зависимости параметров рабочего режима присоединения 6-10 кВ от наличия дефектов в электрической изоляции. Збірник наукових праць Донецького державного технічного університету. Серія: Електротехніка і енергетика, випуск 28: Донецьк: ДонНТУ. - 2001. - С. 136-142.