close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование методов диагностирования изоляторов в электрических сетях постоянного тока

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КУЗЬМЕНКО Антон Юрьевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
ИЗОЛЯТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Специальность 05.14.02 –
«Электрические станции и электроэнергетические системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ОМСК 2016
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Омский
государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
КУЗНЕЦОВ Андрей Альбертович.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Закарюкин Василий Пантелеймонович,
профессор кафедры «Электроэнергетика транспорта» ФГБОУ ВО
«Иркутский государственный университет путей сообщения»
(ИрГУПС);
кандидат технических наук, доцент
Владимиров Леонид Вячеславович,
доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»
ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет»
(ОмГТУ).
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Уральский
сообщения (УрГУПС)».
государственный
университет
путей
Защита диссертации состоится 22 сентября 2016 г. в 1500 часов на
заседании диссертационного совета Д 212.178.12 при Омском
государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск,
проспект Мира, 11, корп. 6, ауд. 340.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского
государственного технического университета и на сайте по ссылке
http://www.omgtu.ru/scientific_activities/dissertatsionnye_sovety/obyavleniya_o_
zashchite_dissertatsiy_i_dokumenty_k_nim/kuzmenko-a-yu.php.
Адрес библиотеки ОмГТУ: г. Омск, проспект Мира, 11.
Автореферат разослан 17 мая 2016 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой
печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск,
проспект Мира, 11, диссертационный совет.
Тел/факс: (8-3812)65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
к.т.н., доцент
Д. С. Осипов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Электроэнергетическая система представляет
собой сложный энергетический комплекс, задачей которого является
обеспечение экономичного и надежного производства электроэнергии, ее
транспортировки и снабжения потребителей электроэнергией в необходимом
для потребителей количестве и требуемого качества. Повышение уровня
безопасности функционирования энергетических систем является важным
государственным приоритетом развития и модернизации отрасли, научных
исследований и текущей эксплуатационной работы. Безопасность системы
электроснабжения напрямую зависит от надежной работы электрической
сети, одним из примеров которой является контактная сеть железных дорог
постоянного тока.
Анализ работы хозяйства электроснабжения показал, что больше всего
отказов приходится на повреждение изоляции. Изолятор – это один из
наиболее ответственных и самых ненадежных элементов контактной сети.
Значительные динамические удары и вибрации в момент прохода
электроподвижного состава способствуют быстрому старению изоляторов.
При наличии запаса по электрической прочности полное повреждение одного
из изоляторов в гирлянде может не вызывать сразу нарушения нормальной
работы электрической сети. Однако постепенное накопление дефектных
изоляторов ведет к перекрытиям, особенно в грозовой период, и
возникновению аварийных ситуаций.
Используемые в настоящее время методы диагностирования изоляции
несовершенны, так как они не учитывают в достаточной мере совокупность
проявления физических процессов, приводящих к потере изолирующих
свойств. Ни один из существующих способов диагностирования нельзя
назвать в полной мере дистанционным. Особенно остро стоит проблема в
электрических сетях постоянного тока. Все устройства применяются в
непосредственной близости от гирлянд изоляторов. Это приводит к большим
трудовым затратам обслуживающего персонала и снижению степени
достоверности полученных результатов. В связи с этим, совершенствование
методов диагностирования изоляции электрической сети постоянного тока
является актуальной проблемой на сегодняшний день. Работы многих
отечественных специалистов в разное время были посвящены решению, как
общих задач, так и непосредственно связанных с исследованиями режимов
работы контактной сети и электроснабжения в целом. Данные вопросы
рассматриваются в трудах В. П. Михеева, К. Г. Марквардта, Г. П. Маслова,
3
В. Н. Зажирко, Д. В. Разевига, П. М. Сви, А. В. Ефимова, Г. С. Кучинского,
Г. М. Шалыта, В. Ф. Быкадорова, В. П. Закарюкина, А. Г. Галкина,
О. А. Сидорова, В. Н. Горюнова, В. Т. Черемисина, К. С. Демирчяна,
В. В. Свешникова и других.
Цель диссертационной работы – совершенствование методов
диагностирования изоляторов электрических сетей постоянного тока за счет
применения новых алгоритмов и аппаратных комплексов.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены
следующие научные задачи:
1) создать математическую модель дистанционного метода
диагностирования изоляторов на основе анализа параметров линий с
распределенными параметрами;
2) определить параметры диагностирующих импульсов и критерии
измеряемых параметров для определения местоположения неисправного
изолятора;
3)
предложить
техническое
решение
дистанционного
диагностирования изоляторов, произвести испытания предложенного
устройства;
4)
выполнить
имитационное
моделирование
распределения
электростатического поля вокруг гирлянды, содержащей неисправный
изолятор;
5) провести экспериментальные исследования распределения
электростатического поля на гирляндах изоляторов, предложить техническое
решение устройства бесконтактного диагностирования гирлянд изоляторов.
Объект исследования – узлы изоляции электрической сети
постоянного тока.
Предмет исследования – состояние подвесных тарельчатых
изоляторов электрической сети постоянного тока.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) усовершенствована математическая модель изоляции контактной
подвески
путем
использования
характеристического
уравнения,
учитывающего основные параметры схемы замещения;
2) определены критерии нахождения неисправной гирлянды
изоляторов по форме диагностирующих импульсов;
3) разработан двухступенчатый алгоритм определения места
повреждения изоляторов электрической сети постоянного тока на основе
применения методов расчета линий с распределенными параметрами и
импульсных методов дистанционного диагностирования;
4
4) определены критерии нахождения неисправных изоляторов в
гирлянде по значению напряженности электростатического поля.
Практическая ценность работы:
1) разработана методика и усовершенствована аппаратура
дистанционного диагностирования подвесных фарфоровых изоляторов,
позволяющие определить наличие неисправной гирлянды на участке
электрической сети постоянного тока;
2) определены значения напряженности электростатического поля
вокруг поврежденных и исправных изоляторов, на основе которых были
предложены новые технические средства, направленные на выявление
неисправных изоляторов в гирлянде;
3) созданный двухступенчатый алгоритм диагностирования подвесных
тарельчатых изоляторов позволяет существенно сократить время на
выявление неисправной гирлянды на участке, повысить точность
измеряемых данных и может быть внедрен на дистанциях электроснабжения.
Методы исследования определялись поставленными задачами
диссертации и были основаны на математическом аппарате линий с
распределенными параметрами и переходных процессов в электрических
цепях.
Имитационное
моделирование
процесса
дистанционного
диагностирования изоляторов электрической сети постоянного тока
осуществлялось в программной среде Multisim с учетом основных
положений теории цепей с распределенными параметрами. Моделирование
распределения напряженности электростатического поля вокруг изолятора
осуществлялось в программной среде Elcut.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1)
двухступенчатый
алгоритм
диагностирования
изоляторов
электрической сети постоянного тока;
2) критерии нахождения неисправной гирлянды по форме
диагностирующих импульсов;
3) критерии определения неисправного изолятора в гирлянде по
параметрам измерения электростатического поля;
4) имитационная модель определения неисправных изоляторов в
гирлянде;
5)
совершенствование
технических
средств
бесконтактного
диагностирования изоляторов электрической сети постоянного тока.
5
Достоверность научных положений и результатов. Результаты
экспериментальных исследований получены на сертифицированном и
поверенном оборудовании с обоснованным уровнем сопоставимости при
сравнении результатов между собой. Теория построена на проверяемых
данных, которые согласуются с опубликованными материалами по теме
диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и были одобрены на международной научно-практической
конференции
«Энергосбережение
в
теплоэнергетике
и
теплоэлектротехнологиях» (Омск, 2010); VII Всероссийской научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых,
посвященной 50-летию первого полета человека в космос, «Молодежь и
наука»
(Красноярск
2011);
научно-практической
конференции
«Инновационные проекты и новые технологии в образовании,
промышленности и на транспорте» (Омск, 2011, 2012); международной
научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их
решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2012» (Одесса,
2012); на технических семинарах кафедр ОмГУПС.
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии
автора в создании математической модели и методики дистанционного
диагностирования изоляторов; разработке устройства дистанционного
диагностирования и его испытании на участке контактной сети полигона
ОмГУПС; теоретическом и экспериментальном исследовании распределения
электростатического поля на гирляндах изоляторов; разработке методики и
технического решения бесконтактного диагностирования гирлянд изоляторов
электрической сети постоянного тока.
Публикации. Основное содержание и результаты исследований
опубликованы в одиннадцати печатных работах, одном электронном ресурсе.
В том числе, четыре статьи опубликованы в изданиях, входящих в перечень,
утвержденный ВАК Минобрнауки России. Получен патент на полезную
модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 131
наименований и содержит 159 страниц основного текста, 61 рисунок, 17
таблиц и шесть приложений.
6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассматривается состояние проблемы, обосновывается ее
актуальность, формулируются задачи исследования и основные результаты,
выносимые на защиту.
В первом разделе выполнена классификация основных методов
диагностирования изоляции электрических сетей. Изучен принцип действия
основных приборов диагностирования и способы их применения. Пробой
изоляции вызывает короткое замыкание, которое приводит к экономическим
потерям, вызванным неожиданными отказами электрооборудования,
возникновению аварийных ситуаций, разрушению элементов системы
электроснабжения. При приближении к месту короткого замыкания
возникает опасность попадания людей под напряжение. Все устройства
диагностируют гирлянды на расстоянии, не превышающем 40-50 метров.
Внешний осмотр также предусматривает объезд всего участка, что приводит
к большим временным и трудовым затратам.
Приведен статистический анализ отказов устройств контактной сети,
который показал, что на протяжении последних десяти лет отказ
изолирующих элементов остается одной из главных проблем надежной
работы контактной сети. В 2014 году в результате отказов устройств
контактной сети допущено 132 события, что составило 95,7 % от их общего
числа. На повреждение изоляторов приходится наибольшее количество
отказов – 18% от общего числа.
Для повышения достоверности оценки состояния изоляторов, контроль
необходимо проводить несколькими методами или совершенствовать
дистанционные системы диагностирования.
Во втором разделе рассмотрены волновые процессы, происходящие в
линии с распределенными параметрами. Разработана математическая модель
участка электрической сети и определены критерии нахождения неисправной
гирлянды изоляторов по форме диагностирующих импульсов.
Для n-проводной линии, расположенной в воздухе над поверхностью
земли, справедлива система из 2n телеграфных уравнений:

i
i mn
u k
 rk ik  Lk k   M km m
t
t m1
x

mn
m n
ik
u
 (u k  u m )
 g k u k   g km (u k  u m )  Ck k   Ckm
,
x
t
t
m 1
m 1
(1)
(2)
где k=1, 2, …; n – номер провода; rk, Lk, gk, Ck – собственные параметры k-го
провода на единицу длины с учетом влияния земли; Mkm и Ckm – взаимная
7
индуктивность и емкость между k-м и m-м проводами на единицу длины
лини с учетом влияния земли.
При подаче на вход линии прямоугольных импульсов, содержащих
непрерывный спектр гармонических составляющих, уравнения линии для
действующих комплексных значений напряжения U и тока I будут иметь
следующий вид:

 U
 r I  j  L I ;
x

 I
 g U  j C U .
x
(3)
Переходные процессы в линии с распределенными параметрами, при
наличии активно-емкостного сопротивления на границе раздела двух
участков z1 и z2 (для частного случая z1=z2), описываются выражениями:
t


u 2  1  e 


u 1 ;



t


i 2  1  e 

t

u 1  e  u 1 ;
где  

i 1 ;


(4)
t
i 1  e  i 1 ,
(5)
L0
L
 0 , z1, z2 – комплексные сопротивления сопряженных
2 z1 2 z 2
участков.
При прямоугольной форме падающей волны и uφ1= const
u 2 
где  
t

2 z 2 


1
e
z 2  z1 

u 1 ; (6)


i 2 
t

2 z 2 


1
e
z 2  z1 

i 1 ,


(7)
z1 z 2
C 0 . Для преломленной волны:
z1  z 2
u 1
t
 z 2  z1
2 z 2 

e


 z 2  z1 z 2  z1

u 1


(8);
i 1
t
 z1  z 2
2 z 2  

e i 1


 z1  z 2 z1  z 2

(9)
Математическая зависимость местоположения неисправной гирлянды
от параметров участка электрической сети определена по расчетной схеме
(рис.1) с эквивалентными параметрами: Le = L0 lx; Re = r0 lx; Ce = C0 lx;
ge = g0 lx; R1 = Re; R2 = 1/ge ; Cx, gx – параметры поврежденной гирлянды.
Характеристическое уравнение для линии, содержащей емкостное,
индуктивное и активное сопротивления имеет вид:
R2 LCp 2  ( R1 R2C  L) p  R1  R2  0 .
8
(10)
Рис. 1. Расчетная схема замещения участка электрической сети
Тогда:
1
1
1
L0l xC0l x p 2  ( R0l x
C0l x  L0l x ) p  R0l x 
 0.
G0l x
G0l x
G0l x
(11)
Так как:
A(l x ) 
1
1
1
L0l xC0l x ; B(l x )  R0l x
C0l x  L0l x ; C (l x )  R0l x 
,
G0l x
G0l x
G0l x
то характеристическое уравнение для участков с различной протяженностью
lx будет иметь вид:
A(l x ) p 2  B(l x ) p  C (l x )  0 .
(12)
Таким образом, проанализировав диагностический импульс, определив
аргументы экспоненциальной функции – p, по выражению (12) можно
определить расстояние до неисправной гирлянды – lx.
В третьем разделе выполнено имитационное моделирование
устройства дистанционного диагностирования изоляторов электрической
сети на основе рассмотренных волновых процессов и импульсного метода,
наиболее подходящего для адаптации к условиям работы участков
электрической сети постоянного тока.
Для создания имитационной модели устройства и проведения
эксперимента была выбрана программа Multisim 12.0. Схема устройства
диагностирования изоляции, созданная в программе Multisim, приведена на
рис. 2. От источника подается переменное напряжение 100 В на схему
умножителя напряжения. С генератора прямоугольных импульсов подается
сигнал на реле частотой 1 Гц. Выход IO1 подключается к контактной сети.
Выход IO2 соединен с рельсом.
9
Рис. 2. Схема устройства диагностирования изоляторов в программе Multisim
Поскольку объект диагностирования представлен комплексным
сопротивлением, каждая из составляющих гармоник входного напряжения
будет по-разному влиять на форму выходного сигнала. Поэтому в качестве
тестовых воздействий были выбраны стандартные прямоугольные импульсы,
имеющие в своем спектре высшие гармоники. Схема измерительного
эксперимента реализованного в программе Multisim представлена на рис. 3.
Рис. 3. Моделирование процесса диагностирования в программе Multisim
Сопротивления R1-R2 выполняют функцию делителя напряжения.
Сигнал фиксируется осциллографом XSC1. Гирлянда состоит из двух
10
изоляторов, каждый из которых представлен в виде параллельно
соединенного активного и емкостного сопротивления. Рассмотрен наиболее
труднодиагностируемый случай, когда первый (ближайший к заземленным
частям) изолятор неисправен, а второй только начинает терять свои
диэлектрические свойства (гирлянда №3 на рис. 3). Сопротивление первого
изолятора составляет 500 кОм, емкость 5 пФ; сопротивления второго
изолятора – 200 МОм и емкость 30 пФ. Каждый пролет имел длину 50 м и
комплексное сопротивление 0,03 Ома.
На рис. 4а приведена осциллограмма исправной линии. Все изоляторы
имеют активное сопротивление 300 МОм и емкость 50 пФ. При прохождении
импульса через линию, происходит заряд с последующим разрядом емкости
изоляторов.
а
б
Рис. 4. Осциллограммы выходного сигнала: а – исправного участка, б –
неисправного участка в трех положениях
На рис. 4б представлены результаты моделирования с поврежденной
гирляндой в различных точках линии: 1 – неисправная гирлянда находится в
начале линии, 2 – гирлянда находится в середине линии, 3 – гирлянда
расположена в конце линии. Как видно из осциллограм, чем дальше
находится неисправная гирлянда, тем сильнее спад заднего фронта импульса.
Это можно объяснить суммарным разрядом емкостей всех изоляторов линии.
Сигнал, поступающий в линию, шунтируется неисправным изолятором,
сопротивление и емкость которого значительно меньше, чем у исправных
изоляторов. Поэтому, когда неисправная гирлянда находится в начале линии,
разряд емкости гирлянды происходит значительно быстрее.
Данная модель показала, что наличие на участке неисправных
изоляторов сопровождается изменением формы диагностирующих
импульсов, а расстояние до неисправного изолятора определяется
изменением амплитуды сигнала.
11
Четвертый
раздел
посвящен
разработке
методики,
экспериментальным исследованиям и усовершенствованию аппаратуры
дистанционного диагностирования подвесных тарельчатых изоляторов. На
рис. 5 представлена структурная схема устройства диагностирования
изоляции. Вся схема разделена на две основные части: блок формирования
импульсов и измерительную часть.
Рис. 5. Структурная схема устройства дистанционного диагностирования
изоляции.
Блок формирования импульсов (БФИ), в свою очередь, состоит из
высоковольтного зарядного устройства (ВЗУ), коммутационного устройства
(КУ) и системы управления этим реле (СУ). Высоковольтное зарядное
устройство предназначено для регулирования подаваемого напряжения и
содержит блок питания (БП), блок высокого напряжения (БВН) и
выпрямительно-умножительный блок (ВУБ).
Измерительная часть (ИЧ) содержит высоковольтный делитель
напряжения (R1-R2) и цифровой осциллограф (ЦО), соединенный с
персональным
компьютером
(ПК).
Использование
персонального
компьютера
позволяет
сохранять
и
обрабатывать
полученные
осциллограммы сигналов, производить сравнительный анализ с уже
полученными данными.
Методика дистанционного диагностирования изоляторов включает в
себя три основные этапа:
1) диагностирование участка с исправными гирляндами, с
последующим сохранением данных;
2) периодический мониторинг данного участка на предмет выявления
отклонений от эталонных данных исправного участка;
12
3) сравнительный анализ данных и определение возможного места
положения неисправной гирлянды.
Экспериментальные исследования проводились на действующем
полигоне железнодорожной техники ОмГУПС (рис. 6).
Рис. 6. Схема проведения эксперимента по диагностированию изоляторов на
участке контактной сети
Неисправная гирлянда (НГ) соединялась с контактной сетью и
рельсовым заземлением в положениях А, Б и В, как показано на рис. 6. При
проведении исследований участок контактной сети был отключен от
внешнего источника питания. В эксперименте рассмотрен наиболее
труднодиагностируемый случай, когда ближайший к заземленным частям
изолятор неисправен (№ 2 на рис. 6), а изолятор № 1 только начинает терять
свои диэлектрические свойства. Сопротивление изолятора № 2 составляет
500 кОм, емкость 5 пФ; сопротивления изолятора № 1 – 200 МОм и емкость
30 пФ. Подключение устройства диагностирования изоляторов (УДИ) к
контактной сети осуществлялось при помощи заземляющей штанги (ШЗ).
На рис. 7а приведена осциллограмма выходного сигнала исправного
участка. Неисправная гирлянда не включена в линию (режим холостого хода).
Как видно из приведенной осциллограммы, на реальном участке также
происходит разряд эквивалентной емкости на входные цепи измерительного
делителя напряжения. Это видно по характерному спаду заднего фронта
импульса. На рис. 7б показаны совмещенные осциллограммы
диагностирующих импульсов, при расположении неисправной гирлянды в
положениях А, Б, В участка контактной сети (рис. 6).
13
а
б
Рис. 7. Осциллограммы выходного сигнала: а – исправного участка,
б – участка с неисправной гирляндой в трех положениях
При подключении неисправной гирлянды в положения А, Б, В, как и
при моделировании, наблюдается увеличение разряда, которое можно
объяснить уменьшением эквивалентного активного сопротивления реального
участка. Наличие на участке неисправной гирлянды приводит к увеличению
спада заднего фронта импульса, что объясняется интенсивным разрядом ее
внутренней емкости. Кроме того при размещении неисправной гирлянды на
близком расстоянии от начала линии, наблюдалось уменьшение амплитуды
прямоугольных импульсов. Это можно объяснить тем, что внутреннее
сопротивление неисправной гирлянды шунтирует входную цепь измерителя.
По мере удаления от места проведения измерений амплитуда сигнала
увеличивается.
На основе математической модели, результатов имитационного
моделирования и экспериментальных исследований была построена
зависимость амплитудного значения напряжения (Umт, Umэ) от расстояния
до неисправной гирлянды Lx (рис. 8а). Также были построены зависимости
пикового значения (Upp=Umax-Umin) импульса от сопротивления гирлянды
изоляторов при различных значениях Lx (рис. 8б).
а
б
Рис. 8. Зависимости диагностических признаков от параметров участка
14
Пятый
раздел
посвящен
изучению
распределения
электростатического поля на гирлянде изоляторов и созданию
математической модели для расчета напряженности электростатического
поля вокруг гирлянды.
В случае, когда заряды распределены в конечной области пространства
dV, справедливо уравнение Пуассона:
 2U  2U  2U





,

x 2 y 2 z 2
а его решением является интеграл вида:
1  dV
U
,
4 V r
(13)
(14)
где dV – конечная область пространства, r – текущая координата, ρ –
плотность заряда, ε – диэлектрическая проницаемость среды. В данной
работе рассматривалось четыре среды: воздух (εв=1), фарфор (εф=6), цемент
(εц=2) и дефект (εд=40).
Так как в электростатическом поле электрические токи отсутствуют, то
из соотношения J =  E, следует, что внутри проводников поле отсутствует
(Е = 0) и из выражения Е = – grad U, следует, что для каждого проводника
потенциал всех его точек имеет одно и то же значение.
На границе двух сред (изотропных диэлектриков) с абсолютными
диэлектрическими проницаемостями 1 и 2 будут справедливы выражения:
E1 sin1 = E2 sin2;
(15)
D1 cos1 = D2 cos2,
(16)
где Е1, Е2 – напряженность поля на границах двух сред;
D1, D2 – электрическое смещение на границах двух сред;
1, 2 – углы поворота векторов E1, E2 на границе раздела двух сред.
Векторы смещения будут одинаковы в обеих средах, но напряженность
поля на поверхности раздела будет менять свое значение.
Для электрического поля постоянного тока, распределенного вокруг
изолятора, задача решения уравнения Пуассона относительно векторного
электрического потенциала A в методе конечных элементов можно заменить
задачей определения минимум функционала вида:
J ( A)    [ gradA( x, y, z )]2 dV  2 A( x, y, z )dV   A( x, y, z )
V
где U x  
V
S
A
dS
n , (17)
A
A
A
,U y   ,U z  
– составляющие вектора электрического
z
x
y
потенциала, распределенного в области V по осям x, y и z.
15
Моделирование
распределения
электростатического
поля
осуществлялось в программной среде Elcut методом конечных элементов.
Для получения картины поля поверхность пестика нижнего изолятора
задается меткой «Напряжение» (3 кВ), а поверхность шапки верхнего
изолятора меткой «Заземление» (U=0). Распределение электростатического
поля на гирлянде изоляторов в четырех режимах приведено на рис. 9.
а
б
в
г
Рис. 9. Распределение электростатического поля: а – на исправной гирлянде,
б – неисправен верхний изолятор; в – неисправен средний изолятор;
г – неисправен нижний изолятор
Как видно из приведенных рисунков, наличие в изоляторе дефекта
(при д > и) приводит к увеличению напряженности электростатического
поля вокруг гирлянды.
Для проведения экспериментальных исследований были использованы
подвесные фарфоровые изоляторы типа ПФ-70. Измерения напряженности
электростатического поля в характерных точках вблизи изоляторов
производились с помощью прибора СТ-01. Результаты измерения
напряженности электростатического поля на гирлянде изоляторов в
различных режимах работы приведены в таблице 1.
16
Таблица 1 – Результаты измерения напряженности электростатического поля
№ изолятора
на котором
проводились
измерения
Значение
напряженности на
гирлянде с тремя
исправными
изоляторами Em, кВ/м
Значение напряженности на гирлянде с
неисправным изолятором Em, кВ/м
неисправен
первый
неисправен
второй
неисправен
третий
1
4,19
7,42
7,23
3,91
2
7,25
4,17
15,8
8,25
3
11,1
9,6
7,46
19,1
Проанализировав полученные данные можно сделать вывод, что
наличие неисправного изолятора в гирлянде приводит к увеличению
напряженности электростатического поля вокруг гирлянды. Произведя
расчет
погрешности
отклонения
результатов
математического
моделирования и экспериментальных данных, получили, что δад не
превышает 9,5%. Предложено
новое устройство бесконтактного
диагностирования, структурная
схема которого представлена на
рис. 10. В состав устройства
дополнительно
введены
три
блока преобразования (БП1 –
БП3), блок коммутации (БК),
изолирующая
штанга
(ИШ),
которая посредством фиксирующего устройства (ФУ) крепится
к изолирующей рабочей площадке съемной вышки или
автомотрисе.
Измерительная
штанга последовательно подключена к блоку управления и
индикации (БУИ) и логическому
Рис. 10. Структурная схема устройства
блоку (БЛ). Логический блок
бесконтактного диагностирования
выдает
результат
контроля
изоляторов
гирлянды изоляторов И1, И2, И3
путем сравнения измеренных сигналов, пропорциональных напряженности
поля, с пороговыми значениями дефектных изоляторов, полученными в
результате многократных испытаний.
17
Общий алгоритм диагностирования включает в себя два основных
этапа и позволяет определить расположение поврежденной гирлянды и
выявить в ней неисправный изолятор. Схема алгоритма приведена на рис. 11.
Перед произведением измерений производится отключение участка от
питания. Первый этап включает в себя подключение устройства
дистанционного диагностирования изоляторов к началу участка, и
выполнение измерений. Если амплитудное значение напряжения выходного
сигнала превышает значение порогового напряжения (Umи ≥ Uп),
следовательно, участок содержит неисправную гирлянду.
На основе значения напряжения и формы импульса определяется
предполагаемое место повреждения (lx). Далее производится включение
питания диагностируемого участка.
После подачи питания на участок начинается второй этап –
диагностирование
гирлянды
изоляторов
бесконтактным
методом.
Посредством устройства бесконтактного диагностирования выполняются
измерения значения напряженности электростатического поля на каждом
изоляторе гирлянды одновременно. Далее производится сравнительный
анализ полученных значений и если выполняется одно из трех последних
условий (рис. 11), определяется неисправный изолятор. Если же все
измеренные значения напряженности не превышают пороговых значений,
производится диагностирование следующей ближайшей гирлянды. Значения
напряженностей Е1 – Е3 измерены на изоляторах № 1-3 (рис. 11). После
выявления поврежденного изолятора производится его замена на исправный.
Произведен расчет экономической эффективности проекта в границах
Омской дистанции электроснабжения, в результате которого, интегральный
экономический эффект (ЧДД) от внедрения двухступенчатой системы
диагностирования за расчетный период равный 10 годам составляет – 2 212
тыс. руб., индекс доходности – 7,34. Экономический эффект за первый год
после внедрения составит 335 тыс. руб. Расчетный срок окупаемости – два
года.
18
Рис. 11. Двухступенчатый алгоритм диагностирования изоляторов
19
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Создана математическая модель дистанционного диагностирования
изоляторов электрической сети на основе импульсного метода. Проведено
имитационное моделирование в программной среде Multisim. В результате
моделирования выявлена возможность определения дефектной гирлянды и ее
местоположения в пределах диагностируемого участка.
2. Определены параметры диагностирующих импульсов и критерии
измеряемых параметров для определения местоположения неисправной
гирлянды. Построены зависимости диагностических параметров от
расстояния до предполагаемого места повреждения и сопротивления
гирлянды изоляторов.
3. Предложено техническое решение переносного устройства
дистанционного диагностирования изоляторов электрической сети, получен
патент на полезную модель № 148957. Произведены испытания устройства
на участке контактной сети полигона ОмГУПС с подключением неисправных
изоляторов. Расхождение результатов моделирования и экспериментальных
исследований не превышает 8,5%.
4.
Выполнено
имитационное
моделирование
распределения
электростатического поля вокруг гирлянды, содержащей неисправный
изолятор. Исследовано распределение напряженности электростатического
поля на гирлянде из трех изоляторов в программе Elcut. Наличие дефекта в
изоляторе приводит к увеличению напряженности электростатического поля
как на одном изоляторе, так и на всей гирлянде.
5. Проведены экспериментальные исследования распределения
электростатического поля на гирляндах изоляторов в условиях эксплуатации,
предложено
техническое
решение
устройства
бесконтактного
диагностирования
гирлянд
изоляторов.
Расхождение
результатов
моделирования и экспериментальных исследований не превышает 9,5%.
6.
Разработан
двухступенчатый
алгоритм
диагностирования
изоляторов, основанный на определении местоположения дефектного
изолятора на протяженном участке импульсным методом, с последующим
точным определением неисправного изолятора в гирлянде с использованием
метода измерения электростатических полей. Экономический эффект за
первый год после внедрения системы двухступенчатого диагностирования
подвесных фарфоровых изоляторов электрической сети составит 335 тыс.
руб.
20
Список работ, опубликованных по теме диссертации
В изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России:
1. Кузнецов, А. А. Разработка технических средств и методики
контроля состояния изоляторов контактной сети постоянного тока [Текст] /
А. А. Кузнецов, Е. А. Кротенко, А. Ю. Кузьменко // Известия Транссиба /
Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск. – 2012. – № 4 (12). – С. 110 – 116.
2. Кузьменко, А. Ю. Моделирование процесса дистанционного
диагностирования изоляторов контактной сети [Текст] / А. А. Кузнецов,
А. Ю. Кузьменко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей
сообщения. – Омск. – 2014. – № 4 (20). – С. 92 – 97.
3. Кузьменко, А. Ю. Результаты испытания переносного прибора
контроля изоляторов контактной сети [Текст] / А. А. Кузнецов,
А. Ю. Кузьменко // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и
технология / Омский гос. технический ун-т. – Омск. – 2015. – № 1 (137). – С.
120 – 122.
4. Кузьменко, А. Ю. Исследование электростатического поля на
гирляндах изоляторов контактной сети [Текст] / А. А. Кузнецов,
А. Ю. Кузьменко, Е. А. Кротенко // Известия Транссиба / Омский гос. унт путей сообщения. – Омск. – 2015. – № 1 (21). – С. 54 – 59.
Статьи в других изданиях:
5. Кузнецов, А. А. Энергоэффективные технологии контроля
изоляции контактной сети железных дорог постоянного тока [Текст] /
А. А. Кузнецов, А. Д. Родченко, А. Ю. Кузьменко // Энергосбережение в
теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях: Матер. междунар. науч.-практ.
конф. / Омский гос. технический ун-т. – Омск. – 2010. – С. 160 – 162.
6. Кузьменко, А. Ю. Аппаратный комплекс обнаружения
повреждений изоляции контактной сети на участках железных дорог
постоянного тока [Текст] / А. Ю. Кузьменко // Молодёжь и наука: Сборник
материалов VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых
ученых, посвященной 50-летию первого полета человека в космос
[Электронный ресурс] / отв. ред. О. А. Краев / Сибирский федер. ун-т. –
Красноярск. – 2011.
7. Кузьменко, А. Ю. Инновационные технологии диагностирования
изолирующих элементов на участках железных дорог постоянного тока
[Текст] / А. Ю. Кузьменко // Инновационные проекты и новые технологии в
образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ.
конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск. – 2011. – С. 152 – 155.
21
8. Кузьменко, А. Ю. Диагностирование изоляции участка контактной
сети железных дорог постоянного тока [Текст] / А. А. Кузнецов,
А. Д. Родченко, А. Ю. Кузьменко // Инновационные проекты и новые
технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы
науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск. – 2012. – С.
286 – 290.
9. Кузьменко, А. Ю. Исследование аппаратного комплекса и
методики контроля состояния изоляторов контактной сети постоянного тока
[Текст] / А. Ю. Кузьменко // Сборник научных трудов SWorld. Материалы
междунар. науч.-практ. конф. «Современные проблемы и пути их решения в
науке, транспорте, производстве и образовании'2012». – Одесса. – 2012. –
Вып. 4. – Т. 2. – С. 39 – 42.
10. Кузьменко, А. Ю. Моделирование и экспериментальное
исследование тестовых воздействий для контроля изоляторов контактной
сети постоянного тока [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко,
Е. А. Артюкова // Электроснабжение железных дорог: Межвуз. темат. сб.
науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск. – 2013. – С. 23 – 27.
11. Кузьменко, А. Ю. Определение диагностических признаков
контроля изоляторов контактной сети импульсным методом [Текст] /
контроль
и
А. Ю. Кузьменко // Энергосберегающие технологии,
управление для предприятий железнодорожного транспорта: Межвуз.
темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск. – 2015. –
С. 47 – 54.
Патенты:
12. Пат. 148957 Российская Федерация, МПК G01R31/11. Переносное
устройство для дистанционного диагностирования изоляторов контактной
сети [Текст] / Кузнецов А. А., Кузьменко А. Ю., Родченко А. Д.;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Омский гос. ун-т путей
сообщения». – № 2014129459/28; заявл. 17.07.14, опубл. 20.12.2014, Бюл.
№ 35. – 9 с.
_______________________________________________
Типография ОмГУПСа. 2016. Тираж 100 экз. Заказ 261.
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35
22
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
1 233 Кб
Теги
сетях, методов, электрический, диагностирования, изоляторов, постоянного, совершенствование, тока
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа