Технические средства диагностирования силовых кабельных линий 6-10 кВ с определением места повреждения методом колебательного разряда

Кабельные линии 6−10 кВ получили широкое применение в распределительных сетях энергосистем, в городах и на промышленных предприятиях. Повреждаемость кабельных линий в 2—3 раза выше, чем у других элементов сети электроснабжения, что вызывает необходимость периодического диагностирования и отыскания до 500 тыс. повреждений ежегодно. Анализ эксплуатационных свойств кабельных сетей показывает, что более 90% отказов в работе приходятся на кабельные линии, проложенные в земле. Время поиска таких повреждений составляет от нескольких часов до 5 суток и является наиболее сложной и дорогой операцией, при этом до 50% затрат на ликвидацию повреждения приходится на определение места повреждения кабельной линии на трассе.

Повышение эффективности решения данной задачи достигается за счёт применения комплекса диагностических средств и методов на базе специализированных кабельных автолабораторий, парк которых в настоящее время составляет в России около 10 тысяч единиц. Учитывая значительный рост среднего срока эксплуатации электрических коммуникаций в жилищно-коммунальном хозяйстве, составляющий в настоящее время от 20 до 40 лет, можно прогнозировать увеличение количества лабораторий в эксплуатации.

Большое многообразие видов повреждений и параметров повреждённых кабельных линий привело к созданию и применению множеств диагностических устройств и методов их диагностики. Значительно и число производителей диагностических лабораторий. Существенны также изменения свойств и параметров современных кабельных изделий. Отдельной задачей в указанных условиях становится проверка состояния изоляции силовых кабельных линий переносными испытательными установками, так как не всегда предоставляется возможность испытания изоляции кабеля автолабораторией особенно в условиях многоэтажных распределительных устройств и собственных нужд электрических станций.

Экономически оправданным подходом в решении указанной задачи может служить применение комбинированных переносных испытательных установок с регистратором расстояния до места повреждения, обеспечивающих сокращение времени и места на производимый комплекс работ, а так же возможность исключения прожигания изоляции в процессе определении места повреждения.

Данная работа посвящена развитию и совершенствованию методов диагностирования кабельных линий методом колебательного разряда при различных повреждениях типа «жила — жила», «жила — оболочка», а также созданию современной переносной испытательной установки силовых кабельных линий рабочим напряжением 6 — 10 кВ высоким напряжением постоянного тока отрицательной полярности с регистратором расстояния до места повреждения. Выполнен комплекс работ по моделированию и определению параметров переносных высоковольтных установок и кабельных линий, совершенствованию методики их расчёта.

При выполнении работы использовались методы математического моделирования, аналитические и численные методы расчёта с применением ЭВМ, теоретические основы и результаты экспериментальных исследований в области определения параметров и диагностирования воздушных и кабельных линий, испытательной аппаратуры полученные ведущими учёными и специалистами. Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением расчётных значений исследуемых параметров силовых трёхфазных кабелей 6−10 кВ с данными натурных экспериментов.

Исследования по теме диссертации выполнялись по плану развития научного направления ЮРГТУ (НПИ) «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», комплексным научно-техническим программам Северо-Кавказского научного центра высшей школы.

Улучшение экологии и повышение надёжности энергетики Ростовской области" и Министерства образования РФ «Научные исследования высшей 6 школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 209 «Инновация». Актуальность работы подтверждается её соответствием приоритетным направлением развития науки и техники, утверждённым Председателем Правительства РФ 21.06.1996 г.

В основу разработки математических моделей силовых кабельных линий 6−10 кВ и испытательной аппаратуры положен системный подход: определение удельных электромагнитных параметров кабелей в режимах диагностики и физических процессов, протекающих во время испытания в самой высоковольтной установке, подключённой к диагностированной кабельной линии, на основе анализа комбинированной модели «кабельная линия — испытательная установка». Определение видов необходимых моделей и их конструктивных параметров. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих научно-технических задач:

— выполнить анализ конструктивных особенностей диагностических кабельных установок и их параметров для оптимизации размеров, массы и технических характеристик переносных средств диагностирования мест повреждения;

— составить компьютерную модель переносной высоковольтной испытательной установки для изучения переходных процессов в режимах высоковольтного диагностировании и влияние элементов схемы выпрямителя на нагрузочную способность установки.

— составить компьютерную модель силовой трёхфазной кабельной линии, учитывающую частотно-зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведущих частей кабеля для изучения переходных процессов при пробоях изоляции «жила — жила», «жила — оболочка». Определить влияние схемы испытания и элементов заземления на форму и период свободных затуханий волновых процессов в кабельной линии при высоковольтном диагностировании;

— составить компьютерную модель технологической системы высоковольтная установка — силовая' кабельная линия" для изучения 7 переходных процессов в кабельной линии и установке до пробоя изоляции, в момент пробоя и после пробоя изоляции во время высоковольтного диагностирования.

— провести численный эксперимент и оценить влияние отдельных элементов совместной модели на переходные процессы в кабеле и установке при пробое ослабленной изоляции во время высоковольтных испытаний, с целью оптимального выбора параметров высоковольтного блока источника, защитного сопротивления установки и схемы проведения испытания, с целью избежания грубых ошибок в определении зоны повреждения.

— усовершенствование и экспериментальная проверка технических средств, для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий, и метода определения места повреждения дистанционным способом.

Основные теоретические результаты и научная новизна диссертационной работы:

1. Предложена методика расчёта внешних характеристик выпрямителя с умножением напряжения в любом диапазоне нагрузок, которая применима при любых сочетаниях параметров элементов схемы и формы питающего напряжения.

2. Разработана схема выпрямителя с умножением напряжения в составе переносных испытательных установок и определены параметры её элементов, обеспечивающие повышенную нагрузочную способность за счёт включения катушки индуктивности, настроенной в резонанс с конденсатором первого каскада.

3. Уточнены параметры компьютерной модели силовой трёхфазной кабельной линии, учитывающей частотно-зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведущих частей для изучения волновых процессов при повреждениях изоляции.

4. С целью уменьшения зоны повреждения кабельных линий методом колебательного разряда предложены оптимальные по критерию минимума искажения волнового процесса в повреждённой жиле кабеля схемы подключения и параметры элементов заземления здоровых жил.

5. Разработана компьютерная модель технологической системы «высоковольтная испытательная установка — силовая кабельная линия», моделирующая процессы системы в режимах диагностирования в реальном времени, позволяющая производить оптимизацию параметров испытательных установок и режимов диагностирования кабельных линий Практическая ценность результатов работы:

1. Сокращение времени определения зоны повреждения и уменьшение трудозатрат при высоковольтном испытании изоляции с использованием предложенной испытательной установки, на которую получен патент [6].

2. Возможность исключить процесс прожигания при диагностировании повреждений и сразу перейти к трассовым методам определения места повреждения.

3. Возможность работы переносной установки как от аккумуляторной батареи постоянного тока напряжением 12 В, так и от источника напряжения 220 В переменного тока промышленной частоты, что позволяет её использовать как самостоятельно, так и в составе автолабораторий.

4. Существенно сниженные масса и размеры установки позволяют использовать предложенную аппаратуру в многоэтажных распределительных устройствах и кабельном хозяйстве собственных нужд электрических станций, где проезд для автолабораторий затруднён или невозможен.

Работа включает введение, пять глав, заключение, список литературы и приложения.

В первой главе рассмотрено современное состояние технических средств для высоковольтных испытаний и диагностирования зоны повреждения 9 силовых кабельных линий, выполнен обзор и анализ методов высоковольтных испытаний силовых кабельных линий. Дана оценка возможности применения полученных данных к переносным испытательным аппаратам. Так же рассмотрены методы определения мест повреждения в кабельных линиях, применимые для передвижных установок.

Проведён обзор и анализ конструктивных особенностей диагностических лабораторий и средства по обнаружению мест повреждения, состава и параметров оборудования. Показана общность и различие структуры большинства из них, сделан прогноз и определён примерный состав их оборудования. Проведён анализ применяемых технических средств.

Рассмотрено перспективное направление развития и совершенствования технических средств для высоковольтных испытаний изоляции силовых кабельных линий.

Во второй главе произведён анализ схем и режимов работы высоковольтных выпрямителей в составе переносных испытательных установок. Выполнен анализ схем высоковольтных выпрямителей переносных испытательных установок. Вычислительным методом получены принципы построения выпрямительных схем на ЭВМ для анализа режимов работы. Приведён аналитический расчет параметров повышающего трансформатора в составе высоковольтной' переносной установки и нагрузочных характеристик выпрямителя. При помощи компьютерного моделирования проанализированы нагрузочные характеристики высоковольтных выпрямителей, выполненных по двухполупериодной несимметричной и симметричной схемам. Обоснован выбор схемы выпрямления с повышенной нагрузочной способностью испытательных аппаратов и её элементов.

В третьей главе исследованы переходные процессы в силовых трехфазных кабельных линиях при высоковольтных испытаниях. Приведены общие сведения и параметры схем замещения силовой трёхфазной кабельной линии, лежащих в основе моделирования. Обоснован выбор

10 стандартного пакета программного комплекса и описана компьютерная модель трёхфазной силовой кабельной линии. Выполнен анализ переходных процессов во время коротких замыканий в кабельных линиях при высоковольтных испытаниях. Проведено совершенствование метода колебательного разряда при определении зоны повреждения изоляции в силовой кабельной линии высокого напряжения. Обосновано применение схем высоковольтных испытаний, позволяющих исключить ошибки при определении места повреждения ослабленной изоляции и параметров элементов заземления по минимуму волнового процесса.

В четвёртой главе проведено исследование переходных процессов в системе «испытательная установка — кабельная линия» на основе комплексной модели. Разработана компьютерная модель переносной испытательной установки с повышенной нагрузочной характеристикой. Выполнена комплексная компьютерная модель системы «силовая кабельная линия — испытательная установка». Представлены результаты численного эксперимента и анализа режимов работы модели. Исследованы переходные процессы, происходящие в кабельной линии и подключённой к ней испытательной установке при высоковольтных испытаниях изоляции кабельной линии. Обоснован выбор ограничительного сопротивления высоковольтной установки, с целью защиты диодов в схеме выпрямителя при высоковольтном пробое изоляции кабеля.

В пятой главе усовершенствованы технические средства определения зоны повреждения трёхфазной силовой кабельной линии при высоковольтных испытаниях.

Определены основные требования к переносному высоковольтному диагностирующему устройству: высоковольтная часть установки позволяет подключение аппарата как к сети напряжения 220 В промышленной частоты.

50 Гц, так и к автономному источнику питания напряжением 12 В постоянного тока, устройство имеет регулируемое напряжение на выходе установки от нуля до 70 кВ выпрямленного напряжения постоянного тока, И необходимое для пробоя ослабленной изоляции в силовой кабельной линии. Измерительная часть установки при пробое в кабеле должна фиксировать электромагнитную волну в начале линии, выводить её изображение на ЖК экран, с последующим хранением, обработкой, анализом и копированием на компьютер. Массогабаритные показатели устройства должны быть таковы, чтобы обеспечивать возможность его мобильного (переносного) применения одним оператором в процессе диагностирования изоляции кабельной линии. Работа с прибором не должна требовать от оператора знания большого количества сложной теоретической или практической информации связанной с данным видом работ (простота управления, однозначность интерпретации получаемой диагностической информации). Устройство должно соответствовать всем нормам электробезопасности.

Приведены технические характеристики разработанной аппаратуры: схемы, параметры, конструкция.

В заключении сформулированы основные научные и технические результаты диссертационной работы.

В приложение приведены зависимости удельных электромагнитных параметров от частоты для основных типов силовых кабелей.

В работе обобщены результаты исследований и разработок, выполненных лично и при непосредственном участии автора, на кафедре «Электрические станции» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

5.5 Выводы.

1. На основе результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработано устройство, позволяющее дистанционно определять место дефектной изоляции в силовых кабельных линях методом колебательного разряда, с выводом осциллограммы напряжения на ЖК экран панели управления. Массогабаритные показатели устройства должны обеспечивать возможность его переноски к диагностируемой кабельной линии одним человеком. Работа с установкой не должна требовать от оператора знания большого количества сложной теоретической или практической информации связанной с данным видом работ. Устройство должно иметь автономное питание на время диагностирования изоляции силовой кабельной линии.

2. Разработано переносное высоковольтное устройство для испытания изоляции силовых кабельных линий, позволяющее диагностировать изоляцию повышенным напряжением отрицательной полярности постоянного тока, с контролем тока утечки и регулируемым напряжением на выходе установки. Опытный образец передан в эксплуатацию. Переносная испытательная установка с регистратором расстояния места повреждения защищена патентом РФ.

3. Предложена новая конструкция высоковольтного блока, совмещённая с ёмкостно-резистивным делителем напряжения для фиксации волновых процессов, активным делителям напряжения для контроля выходных измерительных параметров и дросселем для защиты диодов выпрямителя при пробоях во время испытания. Предложена и реализована схема регистратора расстояния до ослабленной изоляции по периоду волнового процесса.

4. Разработаны схемы переносного аппарата. Регистратор расстояния и высоковольтный источник прошли натурные испытания.

5. Регистратор расстояния до места пробоя позволяет определить пробои изоляции типа «жила-жила», «жила-оболочка» в кабельной линии, за счёт встроенных в корпус установки согласующих резисторов, к которым подключаются свободные жилы силовой кабельной линии.

6. Экспериментально проверено, что данная установка позволяет диагностировать кабельные линии и определять место повреждения, минуя процесс прожигания изоляции, особенно актуально для кабелей из сшитого полиэтилена, набирающих на сегодняшний день наибольшее распространение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. С целью определения характеристик и условий высоковольтных испытаний силовых кабельных линий при разработке переносной высоковольтной диагностирующей аппаратуры выполнена классификация методов высоковольтных испытаний КЛ. Установлено, что основным методом испытания • изоляции силовых кабелей наиболее подходящим является метод испытания по однополярной схеме.

2. Сделан анализ методов определения мест повреждения дистанционных способов диагностирования силовых кабельных линий применяемых к переносным испытательным установкам. Установлено, что наиболее универсальным является метод колебательного разряда.

3. Сделан анализ применяемого отечественного и зарубежного применяемого оборудования для высоковольтных испытаний силовых кабельных линий, приведены их основные технические параметры. Показано, что применяемое оборудование обладает громоздкими массогабаритными показателями отсутствием встроенных регистраторов расстояния, что усложняет и замедляет определение места повреждения ослабленной изоляции в кабельных линиях.

4. Сделан обзор применяемых зарубежных и отечественных аналогов рефлектометров с их основными техническими характеристиками, что позволило сделать заключение о том, что применяемые рефлектометры обладают многофункциональностью, что усложняет работу с ними и обладают недостаточным посылаемым зондирующим импульсом.

5. Разработана математическая модель высоковольтной переносной ' испытательной установки и методика расчёта схем выпрямителей с умножением, напряжения в режимах с повышенной нагрузочной способностью.

6. Оценены факторы, влияющие на повышение нагрузочной способности выпрямителей с умножением напряжения при помощи: а).

159 неравномерного распределения ёмкости по каскадам выпрямителяб) катушки индуктивности включённой в резонанс с входным конденсаторомв) изменение формы питающего напряженияг) симметричной и несимметричной схем умножения.

7. Предложена компьютерная модель силовой трёхфазной кабельной линии, учитывающая частотно — зависимые удельные параметры и взаимоиндукцию токоведущих частей кабеля, которая показала совпадение результатов с физической моделью при исследовании волновых процессов при пробоях изоляции в кабельной линии.

8. Предложена компьютерная модель технологической системы «высоковольтная испытательная установка — силовая кабельная линия», позволяющая получать в реальном масштабе времени процессы с момента начала высоковольтных испытаний (заряда ёмкости кабеля), до момента пробоя ослабленной изоляции и разряда ёмкости кабельной линий.

9. Обоснованы оптимальные параметры схем испытания по минимуму искажения волнового процесса в повреждённой жиле при отыскании места повреждения методом колебательного разряда.

Ю.Обоснован выбор дросселя установки для защиты диодов выпрямителя при пробоях изоляции во время высоковольтного диагностирования силовой кабельной линии.

11. Разработана переносная испытательная установка с регистратором расстояния до места повреждения, прошедшая натурные испытания в электрической сети 6−10 кВ и внедрённая в эксплуатацию в электрических сетях Ростовэнерго, Донэнерго защищена патентом РФ.

12. Предложено техническое решение позволяющее исключить прожигание изоляции в процессе определения места повреждения и сразу перейти к трассовым методам поиска дефектной изоляции, в особенности для кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.