авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Совершенствование методов контроля технического состояния внешней изоляции системы тягового электроснабжения по току утечки

На правах рукописи

КОМОЛОВ Александр Александрович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПО ТОКУ УТЕЧКИ Специальность 05.14.12 – Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО СамГУПС, г. Самара).

Научный консультант: Руцкий Владимир Михайлович доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Лавринович Валерий Александрович, доктор технических наук, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, профессор кафедры электроэнергетических систем Овсянников Александр Георгиевич, доктор технических наук, профессор, Новосибирский государственный технический университет, профессор кафедры техники и электрофизики высоких напряжений

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

Защита состоится 24 апреля 2013 г. в 14 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.269.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 53а.

Автореферат разослан «15» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.10, д.т.н., с.н.с. Кабышев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Наименее надежной составляющей системы тягового электроснабжения железных дорог (СТЭЖД) является контактная сеть (КС). Этот факт обуславли вается тем, что элементы КС не имеют резерва, испытывают на себе различные климатические воздействия окружающей среды в широких диапазонах измене ний, электрические воздействия и механические воздействия со стороны элек троподвижного состава. В связи с этим абсолютное большинство (до 95 %) отка зов СТЭЖД происходит на устройствах КС.

Одной из функциональных подсистем КС, особенно сильно зависящих от воздействий окружающей среды, является внешняя изоляция, включающая в себя воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в атмосферном воздухе.

Надежность работы внешней изоляции СТЭЖД обеспечивается, в первую очередь, обоснованными проектными решениями по выбору уровня электриче ской прочности изоляции и соответствующими эксплуатационными мероприя тиями по его поддержанию.

Однако, как свидетельствует опыт эксплуатации, в ряде случае проектные решения по выбору изоляции СТЭЖД не были достаточно обоснованы, и это привело к тому, что выбранные при проектировании и реализованные при строи тельстве уровни изоляции в настоящее время не соответствуют условиям экс плуатации.

Это является одной из причин того, что значительное (до 30 %) количест во отказов КС происходит по причине нарушения работоспособного состояния изоляции. До 85 % отказов изоляторов приходится на участки, электрифициро ванные на переменном токе, при этом сами изоляторы в большинстве случаев не разрушаются и электрическая прочность внешней изоляции восстанавлива ется. Таким образом, первопричиной отказа в данном случае является либо из начально неверно выбранный уровень изоляции, либо изменение условий экс плуатации по сравнению с теми, которые были приняты при проектировании.

В связи с вышеизложенным можно сформулировать две задачи техниче ской диагностики внешней изоляции:

1) выявление участков, на которых необходимо усиление изоляции (повы шение электрической прочности путем увеличения длины пути утечки изоля ционных конструкций, применения твердых гидрофобных покрытий, замены изоляционных конструкций из традиционных изоляционных материалов на по лимерные изоляторы и др.);

2) оперативный контроль электрической прочности изоляции, направленный на своевременное проведение соответствующих профилактических мероприятий по приведению электрической прочности изоляции к уровню, соответствующему условиям эксплуатации (чистка изоляции, обмыв под напряжением и др.).

Однако существующие методы диагностики не позволяют решить эти за дачи оперативно и в необходимом для достоверной диагностики объеме. По этому совершенствование диагностики внешней изоляции СТЭЖД является актуальной задачей.

Целью исследования является совершенствование диагностики системы тягового электроснабжения за счет разработки метода контроля технического состояния внешней изоляции по току утечки.

Идея исследования заключается в определении параметров тока утечки, позволяющих судить о потенциально опасном состоянии слоя загрязнения на поверхности тарельчатых изоляторов, и обосновании их применения для целей диагностики внешней изоляции контактной сети системы тягового электро снабжения железных дорог переменного тока.

Научные и практические задачи, решаемые для достижения поставленной цели исследования:

– разработка специальной экспериментальной установки для моделирования основных видов загрязнений и увлажнений, наблюдаемых в процессе эксплуата ции внешней изоляции системы тягового электроснабжения;



– проведение экспериментальных исследований с целью регистрация зна чений тока утечки через загрязненные изоляторы при различных сочетаниях интенсивности увлажнения и максимальной удельной поверхностной проводи мости слоя загрязнения;

– определение статистических зависимостей параметров тока утечки внеш ней изоляции системы тягового электроснабжения от условий проведения экс перимента;

– разработка математической модели определения максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения при его увлажнении до насы щения по параметрам тока утечки;

– разработка методики определения соответствия электрической прочности внешней изоляции системы тягового электроснабжения условиям эксплуатации.

Объектом исследования является внешняя изоляция контактной сети системы тягового электроснабжения железных дорог переменного тока. Пред метом исследования – параметры импульсного тока утечки, протекающего по внешней изоляции контактной сети при увлажнении ее поверхности в условиях эксплуатации.

Научная новизна работы 1. Разработана диагностическая модель изолятора в загрязненном и увлаж ненном состоянии, учитывающая влияние максимальной удельной поверхност ной проводимости и водосодержания слоя загрязнения на величину тока утечки.

2. Экспериментально получены новые данные о токах утечки по загрязнен ной и увлажненной поверхности внешней изоляции системы тягового электро снабжения в широких пределах изменения степени загрязнения изоляции и ин тенсивности ее увлажнения.

3. Определены параметры разработанной диагностической модели на осно вании экспериментальных данных о токах утечки при различных сочетаниях степени загрязнения и интенсивности увлажнения внешней изоляции.

Практическая ценность работы 1. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для регистрации токов утечки предварительно загрязненных изоляторов в процессе увлажнения при воздействии высокого напряжения (до 100 кВ) промышленной частоты.

2. Разработан алгоритм, позволяющий по амплитудным значениям импульсов тока утечки определять удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения внешней изоляции при его увлажнении до насыщения в условиях эксплуатации.

3. Разработана методика проверки электрической прочности внешней изоляции контактной сети системы тягового электроснабжения железных дорог переменного тока на соответствие условиям эксплуатации.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту 1. Регрессионная модель определения удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения при увлажнении до насыщения по параметрам импульсного тока утечки.

2. Алгоритм определения удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения при увлажнении до насыщения по параметрам импульсного тока утечки.

3. Методика проверки электрической прочности внешней изоляции системы тягового электроснабжения на соответствие условиям эксплуатации.

Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечена со ответствием характеристик используемого испытательного оборудования тре бованиям нормативных документов по проведению высоковольтных испыта ний, применением поверенных средств измерения, повторяемостью измерений и их соответствием результатам, опубликованным в научной литературе.

Полученные в экспериментах характеристики тока утечки по загрязнен ной поверхности качественно и количественно согласуются с результатами других авторов, опубликованными ранее.

Методы исследований определялись характером каждой из поставлен ных задач и опирались на положения теории развития разряда в воздухе вдоль загрязненной и увлажненной поверхности. В процессе исследования были ис пользованы методы постановки и планирования эксперимента, цифровой и ста тистической обработки данных, методы дисперсионного и регрессионного ана лиза, применялось программирование на языках Visual Basic и Object Pascal.

Для построения графических зависимостей и диаграмм были использованы па кеты прикладных программ StatSoft Statistica, MathCAD, MATLAB Simulink.

Экспериментальные данные получены в лаборатории «Техника высоких напряжений» Самарского государственного университета путей сообщения в результате регистрации токов утечки по поверхности загрязненной и увлаж ненной изоляции.

Личный вклад соискателя заключается в решении задач исследования, разработке и обосновании положений, составляющих научную новизну и прак тическую значимость работы, разработке и изготовлении экспериментальной установки, в проведении анализа и обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные материалы диссертации поэтапно докла дывались, обсуждались и получили одобрение на XXXVIII научной конферен ции студентов и аспирантов (г. Самара, 2011 г.), Международной научно технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г, ТГУ), на восьмом ежегодном научном семинаре «Методы и средства контроля изоляции высоковольтного оборудова ния» (г. Пермь, 2011 г.), научно-практической конференции «Актуальные про блемы проектирования и эксплуатации электрического транспорта» (г. Омск, 2011 г.), научно-практических семинарах кафедры «Электроснабжение желез нодорожного транспорта» СамГУПС и кафедры «Автоматизированные элек троэнергетические системы» СамГТУ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы в практике диагностирования электрической прочности вы соковольтной изоляции и при составлении карт степеней загрязнения в ООО «ЭТС ИНТЕК-Сервис». Также результаты используются в учебном процессе и в научно-исследовательской работе СамГУПС.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной рабо ты изложены в 11 печатных работах общим объемом 3,9 п.л. (авторский вклад – 2,7 п.л.), в том числе – 8 статей, тезисы двух докладов и 1 патент на полезную модель;

в том числе 3 статьи – в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных перечнем ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 149 страниц основного текста, 69 рисунков, 14 таблиц и 4 приложения на 40 страницах. Список использованных источников содержит 115 наименований. Общий объем работы – 189 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной проблемы диагностики внешней изоляции комплекса электроустановок тягового электроснабжения, сформулированы цель и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая ценность результатов исследования, приведены положения, вы носимые на защиту, представлены сведения об апробации.





В первой главе проанализирована работа внешней изоляции КС СТЭЖД в условиях загрязнения и увлажнения при воздействии рабочего напряжения.

Исследования в этом направлении проводились в НИИПТ, ВЭИ, ОРГРЭС, МЭИ, СибНИИЭ, НГТУ. Изучению и решению вопросов проектирования и эксплуатации высоковольтной изоляции в условиях загрязненной атмосферы по священы научные труды Александрова Г.Н., Мерхалева С.Д., Остапенко Е.И., Овсянникова А.Г., Руцкого В.М., Соломоника Е.А и других авторов.

В главе рассмотрена взаимосвязь электрической прочности изоляции и воздействующих на изоляцию КС в процессе эксплуатации напряжений (рис. 1).

Здесь 1 – электрическая прочность гирлянд сухих изоляторов при пра вильно выбранном уровне изоляции;

2 – снижение электрической прочности гирлянд изоляторов при увлажнении загрязненной поверхности при верно вы бранном уровне изоляции;

3 – электрическая прочность гирлянд сухих изолято ров при неверно выбранном уровне изоляции;

4 – электрическая прочность гирлянд изоляторов при увлажнении загрязненной поверхности при неверно выбранном уровне изоляции.

Несоответствие электрической U прочности изоляции КС условиям U р эксплуатации (рис. 1, график 4) на некоторых участках КС подтвержда ется опытом эксплуатации, который также проанализирован в главе.

Также были рассмотрены и проанализированы существующие способы и методы диагностирова ния электрической прочности внеш ней изоляции. В результате было ус тановлено, что основным направле нием диагностики внешней изоля T, с ции системы тягового электроснаб Рис. 1. Воздействующие на изоляцию КС жения является обнаружение изоля- напряжения и электрическая прочность торов, полностью потерявших свою изоляции: А – область воздействия изолирующую способность в ре- перенапряжений при прямом ударе молнии в зультате пробоя, т.е. разряда сквозь КС;

B – область воздействия коммутационных перенапряжений;

C – область воздействия толщу диэлектрика. Актуальность рабочего напряжения этого направления диагностики в значительной степени снижается в связи с тенденцией замены фарфоровых изо ляторов на стеклянные (самодиагностирующиеся). В то же время, диагностике изоляторов с электрической прочностью, сниженной вследствие загрязнения их поверхности, уделяется недостаточное внимание, хотя именно такие изоляторы могут в значительной мере снижать уровень надежности системы тягового элек троснабжения.

Во второй главе описаны процессы, сопровождающие протекание тока утечки по поверхности внешней изоляции СТЭЖД, согласно теории образова ния поверхностных частичных разрядов на загрязненной и увлажненной изоля ционной поверхности и разработана диагностическая модель изолятора в за грязненном и увлажненном состоянии.

В качестве критерия соответствия внешней изоляции СТЭЖД условиям эксплуатации с учетом статистического характера факторов, влияющих на ра боту внешней изоляции, рассмотрен коэффициент запаса электрической проч ности kз, то есть отношение минимального пятидесятипроцентного влагораз рядного напряжения изоляционной конструкции U 50% вр min к наибольшему ра бочему фазному напряжению КС U р max :

U 50% вр min kз, (1) U р max где под минимальным пятидесятипроцентным влагоразрядным напряжением изоляционной конструкции понимается пятидесятипроцентное влагоразрядное напряжение при максимальном значении удельной поверхностной проводимо сти слоя загрязнения, характерного для района расположения участка КС.

Показано, что коэффициент kз 1. опт запаса, обеспечивающий опти 1. мальную с технико-экономичес кой точки зрения надежность 1. эксплуатации внешней изоляции 1. на уровне 1 допустимое отклю- чение по причине перекрытия за- 1. грязненной изоляции за 10 лет на 100 км эксплуатационной длины 1. КС, зависит от числа гирлянд 1. изоляторов на фидерном участке КС и числа опасных увлажнений 1. m 1 10 100 1000 nоп увл (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость оптимального Предложено определять ко коэффициента запаса (kз опт) от числа эффициент запаса электрической изоляционных конструкций (m) при годовом прочности через максимальную числе опасных увлажнений:

удельную поверхностную прово- 1 – nоп увл = 15;

2 – nоп увл = 10;

3 – nоп увл = димость (МУПП) слоя загрязне ния, т.е. проводимость слоя загрязнения при его увлажнении до насыщения.

Для определения этой характеристики построена математическая модель влия ния МУПП и водосодержания слоя загрязнения на удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения.

Указанная модель позволила установить связь между МУПП и силой тока стабильно горящей частичной дуги при различных значениях водосодержания слоя загрязнения. Полученные зависимости приведены на рис. 3.

Iut, 0. А 4 6 3 0. 0. 0. 0 5 10 15 20 25 30 35 r, мкСм Рис.3. Зависимость тока утечки стабильно горящей частичной дуги от МУПП слоя загрязнения r при: 1 – В = 0,5 мг/см ;

2 – В = 1 мг/см ;

3 – В = 1,5 мг/см2 ;

2 4 – В = 2 мг/см2 ;

5 – В = 2,5 мг/см2 ;

6 – В = 3 мг/см С использованием указанной зависимости построена диагностическая модель изолятора в загрязненном и увлажненном состоянии, позволяющая оп ределять МУПП r по силе тока стабильно горящей частичной дуги и водосо держанию слоя загрязнения В.

мг f (Q), В см r, мкСм I ut, мА Рис. 4. Диагностическая модель изолятора в загрязненном и увлажненном состоянии На основании полученных результатов сделан вывод о возможности оп ределения МУПП r слоя загрязнения по величине тока стабильно горящей час тичной дуги и величине водосодержания В слоя загрязнения, однако прямое измерение этих величин не представляется возможным.

Диагностическая модель была разработана в предположении о неизменно сти приложенного напряжения во времени. При синусоидальном напряжении на изоляторе основные процессы, происходящие на его поверхности, остаются теми же, однако время возникновения и существования поверхностного частичного разряда ограничивается тем интервалом времени, когда модуль мгновенного значения напряжения на изоляторе превышает напряжение зажигания дуги. По этому значения тока утечки, протекающего по поверхности изолятора при пере менном напряжении, оказываются меньше вычисленных на основании модели.

С другой стороны, на токи утечки в процессе эксплуатации влияют многие другие случайные факторы, учесть которые в модели не представляется возмож ным. Поэтому необходимо проведение экспериментального уточнения парамет ров диагностической модели с целью выбора таких параметров тока утечки, кото рые максимально близко позволяли бы судить о МУПП слоя загрязнения (рис. 5).

Максимальная удельная поверхностная проводимость слоя загрязнения при увлажнении его до насыщения, r, мкСм Удельная поверхностная проводимость Водосодержание слоя загрязнения, слоя загрязнения на данный момент В, мг/см времени,, мкСм Сила тока стабильно горящей Интенсивность потока увлажнения, Q, мгсм-2с- частичной дуги, Iut, мА Статистические характеристики Статистические характеристики амплитудных значений импульсов тока параметра тока утечки, связанного с утечки, Iамп, мА интенсивностью потока увлажнения Рис. 5. Концепция развития диагностической модели изолятора в загрязненном и увлажненном состоянии – прямая физическая связь между параметрами;

– вероятностная связь между параметрами;

– диагностическая связь между параметрами.

В третьей главе диссертационной работы приведены результаты разра ботки и описание приборного и методического обеспечения, требуемого для проведения высоковольтного эксперимента по измерению и регистрации токов утечки через поверхность загрязненной внешней изоляции системы тягового электроснабжения в сочетании с искусственными увлажнениями различной ин тенсивности при длительном приложении переменного напряжения промыш ленной частоты.

Для выполнения поставленных задач требовалось разработать и изгото вить экспериментальный комплекс, позволяющий моделировать условия экс плуатации изоляции в открытой атмосфере. В качестве объектов эксперимента были выбраны подвесные тарельчатые стеклянные изоляторы типа ПС120-Б, обладающие типичной конфигурацией для изоляторов нормального исполне ния и нашедшие широкое применение в КС СТЭЖД.

Загрязнение изоляторов проводилось согласно ГОСТ 10390-86 «Электро оборудование на напряжение свыше 3 кВ. Методы испытаний внешней изоля ции в загрязненном состоянии» методом предварительного загрязнения: изоля торы искусственно покрывались равномерным слоем загрязняющего вещества путем погружения изолятора в водную суспензию.

В качестве загрязняющего вещества использовалась суспензия, состоящая из 40 г каолина, 1000 г воды и различного количества поваренной соли в зави симости от требуемой степени загрязнения (СЗ). Удельная электрическая про водимость воды при температуре 20 °C составляла не более 400 мкСмсм-1, что удовлетворяет требованиям ГОСТа (не более 500 мкСмсм-1).

Суспензия, соответствующая требуемой для проведения эксперимента СЗ изоляции, использовалась для загрязнения партии изоляторов в количестве штук. После полного высыхания поверхности изоляторов на двух случайно отобранных объектах производились измерения поверхностной плотности за грязнения, для чего с пяти частей изоляционной детали счищался слой загряз нения, определялась его масса и делилась на площадь очищенной поверхности.

Полученные значения поверхностной плотности загрязнения отличались от среднего по изолятору значения не более, чем на 15 %, что свидетельствует о достаточно высокой степени равномерности нанесения загрязняющего вещест ва (стандартом допускается отклонение до 25 %).

При проведении испытаний методом предварительного загрязнения в ка честве меры степени загрязнения используется удельная поверхностная элек трическая проводимость, измеряемая на испытуемом или контрольном изоля торе, находящемся в одинаковых условиях с испытуемым.

Удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения при его ув лажнении до насыщения r, мкСм, определяют по следующей формуле:

К r Ф, (2) R где R –сопротивление изолятора в состоянии увлажнения до насыщения, МОм;

КФ – коэффициент формы изолятора, зависящий только от его геометриче ских параметров.

Коэффициенты формы для всех типов изоляторов являются справочными данными;

для исследуемого изолятора ПС120-Б КФ = 0,8.

Поверхностное сопротивление сильно зависит от содержания влаги в слое загрязнения и достигает своего наименьшего значения при его увлажнении до состояния насыщения. Увлажнение сверх этого предела вызывает разрушение слоя загрязнения и приводит к образованию капель на нижней поверхности изолятора, вместе с которыми вымываются проводящие примеси. В естествен ных условиях такой процесс наблюдается при дождях сильной интенсивности и носит название естественной очистки изоляции.

Для корректного проведения эксперимента было необходимо точно опре делять максимальную поверхностную проводимость слоя загрязнения, поэтому требовалось аккуратно увлажнять поверхность изолятора и непрерывно изме рять его сопротивление. Измерение сопротивления осуществлялось с помощью мегомметра на 2500 В в пределах от 20 до 200 кОм. Зафиксированное мини мальное значение сопротивления указывало на достижение состояния насыще ния, после этого увлажнение прекращалось. Подобные измерения проводились на каждом исследуемом изоляторе для сокращения возможной дисперсии зна чений удельной поверхностной проводимости.

Для создания условий эксперимента, наиболее полно соответствующих условиям эксплуатации, был проведен анализ наиболее опасных с точки зрения снижения изолирующей способности видов увлажнения, каковыми являются плотные туманы и моросящие дожди. Выявлено, что из этих двух видов более опасными являются плотные адвективные туманы, так как они обеспечивают более равномерное и всестороннее увлажнение поверхности изоляторов, вклю чая ее нижнюю часть.

Известно, что для адвективных туманов характерный размер капель со ставляет от 5 до 30 мкм с модальным значением 11,5 мкм, причем вероятность появления капель с размером менее 8 и более 20 мкм составляет менее 10 %.

Также известно, что в увлажнении туманами поверхности изоляторов решаю щую роль играет механизм инерционного осаждения капель влаги, который про являет себя в случае движения тумана относительно изолятора, т.е. при наличии ветра. Учитывая, что адвективные туманы наиболее часто сопровождаются вет ром скоростью от 0,5 до 5 м/с, принято считать, что именно они являются наибо лее неблагоприятным видом увлажнения для загрязненной изоляции.

Таким образом, для моделирования увлажнения, схожего по характери стикам с природными туманами, необходимо создать поток мелкодисперсной влаги с удельной проводимостью не более 200 мкСмсм-1 и размером капель в пределах 8-20 мкм, движущийся со скоростью в пределах от 0,5 до 5 м/с.

Требуемым характеристикам соответствует поток увлажненного воздуха, создаваемый дисковыми увлажнителями воздуха. Распыление воды до мель чайших капель в них происходит за счет центробежных сил на краях быстро вращающегося диска. Создающийся аэрозоль с помощью встроенного вентиля тора направляется через сопло в окружающий воздух. Заявленный производи телем размер капель составляет 8–15 мкм, скорость потока увлажнения варьи руется в пределах от 1 до 2 м/с. Поэтому можно считать, что при подаче в такой увлажнитель дистиллированной воды с проводимостью ниже 200 мкСмсм-1, поток увлажнения на его выходе соответствует мощным природным адвектив ным туманам, сопровождаемым скоростью ветра 1–2 м/с.

Для изменения интенсивности увлажнения осуществлялось ограничение выходящего из сопла факела и тем самым снижалось количество влаги, посту пающее на поверхность гирлянды. Таким образом были реализованы четыре различных интенсивности поступления влаги на изоляционную поверхность испытуемых изоляторов.

Далее были рассмотрены требования, предъявляемые к источнику напря жения для проведения испытаний. Согласно ГОСТ 10390–86, источник пере менного напряжения (испытательный трансформатор вместе с регулирующим устройством) следует выбирать так, чтобы эффективное значение тока коротко го замыкания не менее чем в 10 раз превышало наибольшее значение амплиту ды импульсов тока утечки по испытуемому изолятору, возникающих в процес се испытаний и не приводящих к перекрытию изолятора.

При испытании напряжением 27,5 кВ гирлянды из четырех изоляторов с максимальной удельной поверхностной проводимостью 28 мкСм, характерной для 3 СЗ, в сочетании с самым неблагоприятным режимом увлажнения макси мальное амплитудное значение тока утечки составляло 102 мА. Поэтому для выполнения вышеуказанного требования достаточно, чтобы эффективное зна чение тока короткого замыкания источника напряжения превышало 1 А.

Под такие требования подходит источник на базе испытательного одно фазного трансформатора ИОМ-100/25 с максимальным напряжением высокой стороны 100 кВ и мощностью 25 кВА. Регулировка напряжения осуществля лась на низкой стороне испытательного трансформатора посредством однофаз ного лабораторного автотрансформатора TDGC-30 мощностью 30 кВА с преде лом регулирования напряжения от 0 до 250 В. Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема электрической части лабораторного стенда:

SF1 – автоматический выключатель, Iном = 160 А;

SB1 – кнопка «СТОП»;

КМ1 – контактор;

ТА1 – трансформатор тока, Кт = 30;

КА1 – электромагнитное токовое реле РТ-81;

К1 – про межуточное реле;

АТ – однофазный автотрансформатор TDGC-30;

ИТ – испытательный трансформатор ИОМ-100/25;

ОИ – объект испытаний (гирлянда изоляторов);

РД – разряд ник;

Rизм – измерительное сопротивление.

Для обеспечения защиты трансформаторов от протекания токов, превы шающих номинальные значения, была установлена токовая защита на базе реле РТ-81, включенного через трансформатор тока в цепь вторичной обмотки авто трансформатора. При достижении током в измерительной цепи уставки сраба тывания питание стенда прекращается.

По результатам расчетов эффективное значение тока короткого замыка ния для указанной установки составило 1,25 А. Следовательно, такой источник переменного напряжения позволяет осуществлять испытания изоляции с ам плитудами токов утечки в предразрядном режиме до 125 мА.

Для измерения тока утечки через испытуемую гирлянду изоляторов был использован измерительный шунт, включенный последовательно с ней в высо ковольтную цепь. Для обеспечения безопасности параллельно измерительному шунту были включены два разрядника на напряжение 50 В. Падение напряже ния на зажимах шунта прямо пропорционально протекающему через цепь «ис пытательный трансформатор-гирлянда-шунт» току, который при малом значе нии сопротивления шунта (40 Ом) можно принять равным току утечки.

Таким образом, задача сводится к необходимости обеспечить измерение и регистрацию в цифровом виде падения напряжения на измерительном сопротив лении. Максимальное значение падения напряжения определяется максималь ным значением тока утечки и при указанной величине 125 мА составляет 5 В.

В соответствии с предъявленными требованиями было выбрано аналого цифровое устройство S-Recorder E российского производства, позволяющее изме рять и сохранять в файл на персональном компьютере падение напряжения в пре делах ±10 В с частотой дискретизации до 100 кГц. Такая частота позволяет полу чить довольно подробную картину изменения токов утечки под воздействием си нусоидального напряжения и фиксировать моменты резкого изменения тока утеч ки при образовании на изоляторах поверхностных частичных разрядов (ПЧР).

В качестве границ уровней первого фактора выбраны значения, рекомен дованные ПУЭ в качестве минимальных для градации по степеням загрязнения, а именно: для 1-й СЗ – 5 мкСм, для 2-й – 10 мкСм, для 3-й СЗ – 20 мкСм, для 4 й – 30 мкСм. В качестве уровней второго фактора использованы измеренные значения интенсивности увлажнения при четырех различных режимах работы дискового увлажнителя.

В четвертой главе приведены результаты регистрации токов утечки, представлены результаты статистической обработки и регрессионного анализа экспериментальных данных.

Измерение и регистрация токов утечки проводились в течение одного ча са с начала увлажнения. Как правило, первые 20–30 минут (в зависимости от интенсивности увлажнения) разрядные процессы на поверхности изоляторов проявлялись прерывисто, неустойчиво. Предполагается, что это связано с про цессом насыщения слоя загрязнения влагой.

После завершения этого процесса на гирляндах образовывались поверхност ные частичные разряды, акустические сигналы которых были хорошо слышны, а свечение разрядов наблюдалось невооруженным глазом при солнечном свете. На экране компьютера появление разрядов сопровождалось резкими, скачкообразны ми изменениями значений тока утечки на участке синусоиды, приблизительно со ответствующем максимальной амплитуде приложенного напряжения (рис. 7).

Iут, Iут, мА мА 0 - - - - - 1738.74 t, с t, с 1738.78 1738.82 1910 1920 1930 Рис. 7. Участки осциллограмм тока утечки гирлянды из 4-х изоляторов ПС120-Б, r = 14 мкСм (соответствует второй СЗ), Q = 0,005 мгс-1см-2 длительностью:

а) 120 мс;

б) 40 с Для обработки данных было решено использовать пакет прикладных про грамм Statistica, т.к. он позволяет надежно совершать импорт данных из файлов больших размеров, и в дальнейшем осуществлять их фильтрацию, сортировку и статистическую обработку.

В главе описан алгоритм обработки экспериментальных данных для повышения их информативности. В качестве примера его использования на рис. представлены первичные данные о мгновенных значениях тока утечки, а) б) в) г) д) Рис. 8. Значения тока утечки при испытании 4-х изоляторов ПС120-Б напряжением 27,5 кВ при r = 14 мкСм, Q = 0,0022 мгс-1см-2: а – осциллограмма тока утечки, зарегистрированная АЦП;

б, в – результаты первичной обработки осциллограммы;

г, д – результаты, полученные с использованием алгоритма при m = 50, t = 10 с зарегистрированные АЦП (а), амплитудные значения импульсов, выделенные на значимых участках, и гистограмма их распределения (б, в) и результат обработки с использованием алгоритма (г, д).

Как видно из представленных рисунков, вычисленные характеристики более стабильны с течением времени испытаний, чем просто значения тока утечки или значения всех амплитуд тока утечки. Полученные в результате рас чета данные представляют собой одну из возможных оценок максимальных ам плитуд тока утечки при увлажнении загрязненной изоляции.

Однако сравнение вычис- P (r) 60% ленных средних значений мак симальных амплитуд для раз- 50% личных уровней фактора «СЗ» 40% дает понять, что наличие одно го такого параметра не позво- 30% ляет надежно определять удельную поверхностную про- 20% водимость слоя загрязнения, 10% т.к. при различных интенсивно стях увлажнения максимальные 0% 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50, r амплитуды могут изменяться в мкСм 2 СЗ 3 СЗ 4 СЗ больших пределах (рис. 9).

Рис. 9. Гистограммы повторяемости среднего При использовании толь значения 50 максимальных по модулю амплитуд тока ко этого параметра невозможно утечки, наблюдаемых за 10 секунд, при различных определить, какое именно соче- степенях загрязнения тание внешних факторов испы тывает в данный момент поверхность изоляции: малая величина удельной про водимости слоя загрязнения при большой интенсивности увлажнения или же большая удельная проводимость слоя загрязнения при умеренной интенсивно сти увлажнения. И если в первом случае неверная оценка степени загрязнения ведет к ошибке первого рода («ложная тревога»), то во втором случае имеется опасность появления ошибки второго рода («пропуск дефекта»), что сразу сни жает ценность проведения подобной диагностики. Поэтому для надежного раз деления таких состояний необходимо определить дополнительный диагности ческий параметр.

С этой целью были рассмотрены несколько других параметров тока утеч ки, которые могут характеризовать не только степень загрязнения изоляции, но и интенсивность увлажнения, а значит – позволяют отделить друг от друга зна чения амплитуд токов утечки, соответствующие разным режимам увлажнения.

В процессе дальнейшего анализа было установлено, что интервалы вре мени между возникновением импульсов тока повышенной величины (т.е. пре вышающих некоторое граничное значение) достаточно хорошо описываются распределением Вейбулла. Результаты вычислений показали, что если в качест ве такой границы взять среднее двухсекундное значение амплитуд тока утечки, то значения критерия согласия Холлендера – Прошана будут соответствовать 95 % вероятности принятия гипотезы о верности распределения.

Поэтому для оценки интенсивности появления импульсов тока повышен ной величины был использован параметр 0 распределения Вейбулла – Гнеден ко, вычисляемый по следующей формуле:

~~ a b, (3) ~ ~ где a и b – оценки параметров распределения, вычисленные методом макси мального правдоподобия.

Определение значений найденных параметров проводилось для 120-секундных интервалов диагностики. Усредненные значения параметров, вычисленные по токам утечки при максимальной удельной поверхностной про водимости 18 мкСм, представлены на рис. 10. Зависимость диагностируемой величины от выявленных параметров представлена в виде точек на рис. 11.

На рис. 11 также представлено графическое изображение регрессионной зависимости диагностируемой величины максимальной удельной поверхност ной проводимости от диагностических параметров, которое в аналитическом виде имеет вид:

r 0,0071M 2 0,0632 2 0,0297 M 0,2633M 3,0299 4,9038, (4) где r –максимальная удельная поверхностная проводимость, мкСм;

М – среднее значение первого диагностического параметра (усредненное значение m = 50 максимальных амплитудных значений тока утечки за tамп = 10 с) за время tдиагн = 120 с, мА;

– второй диагностический параметр (параметр распределения Вейбулла для интервалов следования импульсов тока утечки, превышающих среднее двухсекундное значение амплитуды тока утечки, вычисленный за время tдиагн = 120 с).

Рис. 10. Значения диагностических парамет- Рис. 11. Зависимость r ров, вычисленные по токам утечки от диагностических параметров при r = 18 мкСм Использование этой формулы позволяет по вычисленным характеристикам импульсного тока утечки определить максимальную удельную поверхностную проводимость, которая характеризует степень загрязнения изоляции и определя ет электрическую прочность внешней изоляции в условиях загрязнения.

Кроме того, были получены другие регрессионные модели зависимости максимальной удельной поверхностной проводимости от других факторов и их совокупностей. Однако приведенная выше модель позволяет наиболее досто верно оценивать электрическую прочность внешней изоляции, что было уста новлено в результате сравнения адекватности и коэффициентов детерминации полученных моделей.

По результатам четвертой главы разработан алгоритм определения мак симальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения на основе амплитудных значений тока утечки, представленный на рис. 12.

Рис. 12. Алгоритм определения максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения по амплитудным значениям импульсного тока утечки Пятая глава посвящена разработке методики проверки фактической электрической прочности внешней изоляции контактной сети на соответствие условиям эксплуатации. В качестве критерия используется определенный в главе 1 коэффициент запаса электрической прочности. Для описания разрабо танной методики на рис. 13 приведена ее блок-схема.

3 1. Зависимости U50% = f (r) для 1. Количество изоляционных типа диагностируемого изолятора конструкций на фидерном участке, m 2. В случае отсутствия такой 2. Количество опасных увлажнений в зависимости – применение год, nоп увл обобщенной зависимости 3. Высота над уровнем моря, h U50% = f (r), адаптированной для 4. Длина фидерного участка, lуч типа диагностируемого изолятора.

1 Расчет r по характеристикам 5 Расчет оптимального тока утечки коэффициента запаса kз опт = f (m, nоп увл, h, lуч) 7 Определение соответствия электрической прочности изоляции 2 Расчет 4 Расчет условиям эксплуатации разрядных kз ф = f (Uр50%) k з ф k з опт напряжений U = f ( ) Рис. 13. Блок-схема методики проверки электрической прочности внешней изоляции контактной сети переменного тока на соответствие условиям эксплуатации В блоке 1 выполняется расчет максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения по диагностическим параметрам тока утечки с использованием вышеупомянутого алгоритма по рис. 12.

В блоке 2 вычисляется 50 %-ое разрядное напряжение изоляционной кон струкции U 50% вр по полученной величине r и разрядным характеристикам, из вестным для диагностируемого изолятора и содержащимся в модуле исходных данных (блок 3). В настоящее время такие характеристики получены для наибо лее широко распространенных типов подвесных тарельчатых изоляторов и пред ставляют собой зависимость от максимальной проводимости слоя загрязнения либо разрядных градиентов, либо непосредственно разрядных напряжений.

В блоке 4 производится расчет фактического коэффициента запаса диаг ностируемой изоляционной конструкции по (1), где в качестве наибольшего ра бочего напряжения в КС принимается значение 29 кВ.

В блоке 5 производится расчет оптимального коэффициента запаса для диагностируемого фидерного участка контактной сети исходя из длины фидер ного участка lу, числа m изоляционных конструкций, работающих параллельно, годового числа опасных увлажнений nоп увл и высоты местности над уровнем моря h, от которой зависит атмосферное давление p. Для нахождения зависимо сти коэффициента запаса от всех этих параметров используется следующая формула:

0, p 0, k з опт (5) p 0,001 l у 1 Fнобр С nоп увл m r где Fнобр – обратная функция нормального распределения;

Cr – коэффициент вариации разрядных напряжений;

p0 – атмосферное давление на уровне моря, кПа.

В блоке 7 производится сравнение фактического коэффициента запаса, рассчитанного в блоке 4 на основании параметров тока утечки, с оптимальным kз опт, рассчитанным в блоке 5.

В случае если фактический коэффициент запаса электрической прочности меньше, чем оптимальный (kз ф kз опт), делается вывод о необходимости про ведения профилактических мероприятий по восстановлению электрической прочности поверхности изоляции путем обмыва, очистки, обработки гидрофоб ными покрытиями или любым другим способом.

При kз ф kз опт делается вывод о достаточной электрической прочности установленной изоляции, производится дальнейшее наблюдение за параметра ми тока утечки.

На основании описанной блок-схемы разработана методика проверки электрической прочности внешней изоляции КС переменного тока на соответ ствие условиям эксплуатации.

Также в пятой главе приведены результаты оценки адекватности разрабо танной методики на основании высоковольтных испытаний гирлянд изоляторов ПС120-Б, загрязненных в естественных условиях эксплуатации контактной сети железных дорог. Измерения токов утечки при разных интенсивностях увлажне ния производилось на описанной выше экспериментальной установке;

опреде ление 50 %-ных влагоразрядных напряжений производилось на базе испыта тельного трансформатора ИОМ 300/300 при увлажнении слоя загрязнения до насыщения методом «вверх-вниз».

Значения максимальной удельной поверхностной проводимости, вычис ленные с использованием разработанного алгоритма (рис. 12) на основании па раметров тока утечки, и значения 50 %-ного разрядного напряжения, опреде ленные в соответствии с разработанной методикой (рис. 13), отличались от не посредственно измеренных значений этих величин для всех испытуемых гир лянд не более чем 37,5 % и 20 % соответственно. В случае применения усред ненных значений вычисленных величин (за интервал не более 10 минут) отно сительные погрешности снижаются до 10 % для обеих величин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана диагностическая модель изолятора в загрязненном и увлаж ненном состоянии, учитывающая влияние максимальной удельной поверхност ной проводимости и водосодержания слоя загрязнения на величину тока утеч ки. На основе модели сделан вывод о необходимости проведения дополнитель ных экспериментальных исследований.

2. Разработанная лабораторная установка позволила моделировать увлаж нения, близкие по характеристикам к природным туманам с интенсивностью увлажнения в интервале от 0,0016 до 0,007 мгc-1см-2. При таком увлажнении загрязненных изоляторов, находящихся под напряжением 27,5 кВ, на их по верхности наблюдались поверхностные частичные разряды. Режим интенсив ного возникновения ПЧР был стабильным и наблюдался в течение продолжи тельного времени (до 1 часа).

3. В результате регистрации токов утечки через загрязненные изоляторы были получены данные о мгновенных значениях тока утечки при различных сочетаниях интенсивности увлажнения и максимальной удельной поверхност ной проводимости слоя загрязнения.

4. В результате проведенного анализа и статистической обработки получен ных экспериментальных данных была построена регрессионная модель, позво ляющая вычислять удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения по комплексу параметров тока утечки. В данный комплекс входят такие пара метры, как среднее значение амплитуды импульсов тока утечки, вычисленное по 50 наибольшим по модулю значениям амплитуды тока утечки за 10 секундный интервал измерения;

параметр 0 распределения Вейбулла-Гнеденко для интервалов между импульсами тока утечки, превышающими среднее двух секундное значение амплитуды тока утечки. Разработанный алгоритм опреде ления максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения по комплексу диагностических параметров тока утечки позволяет при довери тельной вероятности 0,95 обеспечить погрешность не более 13,2 %.

5. Разработана методика, которая позволяет определять соответствие фак тической электрической прочности внешней изоляции КС условиям ее эксплуа тации по критерию коэффициента запаса электрической прочности на основа нии алгоритма определения максимальной удельной поверхностной проводи мости слоя загрязнения.

6. В ходе проведения контрольных испытаний разработанной методики на изоляторах, загрязненных в естественных условиях контактной сети железных до рог, было установлено, что погрешность методики не превышает 37,5 % при из мерении параметров тока утечки за интервал 120 с;

при увеличении длительности диагностики до 10 минут максимальная погрешность определения максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения снижается до 10 %.

Список работ, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертации 1. Комолов А. А. О возможности применения информации о токе утечки через поверхность загрязненной и увлажненной изоляции для целей диагностики ее электрической прочности / А. А. Комолов, В. М. Руцкий // Вестник транспорта Поволжья. – 2011. – № 2. – С. 60–65.

2. Комолов А. А. Проблемы эксплуатации высоковольтной изоляции в условиях загрязненной атмосферы / А. А. Комолов, С. В. Коркина, В. М. Руцкий // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Тематический выпуск. – 2010. – № 1. – С. 482–484.

3. Комолов А. А. Расчет потерь электроэнергии в электрических сетях из за токов утечки / А. А. Комолов, С. В. Коркина, В. М. Руцкий // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Тематический выпуск. – 2010. – № 1. – С. 485–488.

Статьи в сборниках научных работ и материалах конференций, патенты 4. Комолов А. А. Метод экспресс-оценки электрической прочности высоковольтной изоляции наружных электроустановок, работающих в условиях загрязненной атмосферы / А. А. Комолов, В. М. Руцкий // Вестник СамГУПС. – 2009. – Вып. 1 – С. 75–81.

5. Комолов А. А. Электрическая прочность высоковольтных изоляторов для проектируемых линий эстакадного транспорта / А. А. Комолов, В. М. Руцкий // Актуальные проблемы автотранспортного комплекса : межвуз.

сб. науч. статей. – Самара : Самар.гос.техн.ун-т, 2009. – С. 131–133.

6. Комолов А. А. Исследование зависимости электрической прочности высоковольтных изоляторов от их геометрических параметров / А. А. Комолов, В. М. Руцкий // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии : сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. – Тольятти : ТГУ, 2009. – С. 258–262.

7. Комолов А. А. Возможность определения степени загрязнения подвесных тарельчатых изоляторов по характеристикам токов утечки в загрязненном и увлажненном состоянии / А. А. Комолов // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации … электрического транспорта: сб.

науч. статей с междунар. участием. – Омск : Омский гос. ун-т путей сообщения, 2011. – С. 151–160.

8. Комолов А. А. Проведение высоковольтного эксперимента по регистрации тока утечки через загрязненную и увлажненную поверхность внешней изоляции / А. А. Комолов // Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура : материалы науч.-техн. конф. … УрГУПС: в 2 т. / Уральский государственный университет путей сообщения. – Екатеринбург, 2011. – Вып. 97(180), т. 1. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).– С. 312–317.

9. Комолов А. А. Экспресс–оценка электрической прочности высоковольтных изоляторов / А. А. Комолов // Сб. материалов XXXVI науч.

конф. студентов и аспирантов. – Вып. 9. – Самара : Самарский гос. ун-т путей сообщения, 2009. – С. 55–56.

10. Комолов А. А. Отработка метода диагностики загрязненной поверхности внешней изоляции с использованием ЭОД «Филин–6» / А. А. Комолов // Сб. материалов XXXVII науч. конф. студентов и аспирантов. – Вып. 10. – Самара : Самарский гос. ун-т путей сообщения, 2010. – С. 37–38.

11. Пат. 107368 Рос. Федерация : МПК G 01 R 31/02. Система мониторинга состояния изоляции / Комолов А. А., Руцкий В. М. ;

заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения». – № 103768 ;

заявл. 21.03.2011 ;

опубл. 10.08.2011, Бюл. № 22. – 1 с. : 1 ил.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.