СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ
METHOD OF ASSESSING THE TECHNICAL STATE OF A CABLE LINE

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для оценки технического состояния кабельных линий.
Кабельные линии получили широкое применение в распределительных сетях энергосистем, в городах и на промышленных предприятиях. Их повреждаемость в 2-3 раза выше, чем у других элементов сети электроснабжения. Многообразие видов повреждений и параметров кабельных линий привело к созданию большого количества способов оценки технического состояния кабельных линий (их диагностики). Но из существующих методов нет ни одного универсального, так как у каждого есть свои достоинства и недостатки, а также условия, ограничивающие возможности применения его на практике.
Из уровня техники известен метод оценки технического состояния кабельных линий, предполагающий автоматическое измерение емкости, тангенса угла диэлектрических потерь, добротности и сопротивления на различных частотах и оценку технического состояния линии на основе интегрального критерия, сформированного искусственной нейронной сетью из совокупности диагностических параметров (Новикова Фрейре Шавиер Ж. да К., Баширов М.Г., Прахов И.В., Разработка метода количественной оценки технического состояния кабельных линий 6 кВ, Современные наукоемкие технологии, 2015, №9, с. 63-67).
Недостатками этого способа является низкая точность оценки технического состояния кабельных линий. Причина этого в том, что не учтены тепловые процессы, протекающие в кабельных линиях, и не учтен материал и конструкция кабельных линий. Поэтому оценка технического состояния не может быть точной.
Технической задачей данного изобретения является создание более достоверного, надежного и безопасного способа оценки технического состояния кабельных линий.
Указанная задача решается тем, что в способе оценки технического состояния кабельных линий, заключающемся в подаче испытательного электрического сигнала от задающего генератора и в регистрации переходной характеристики, также в автоматическом измерении емкости, тангенса угла диэлектрических потерь, добротности и сопротивления на различных частотах и оценку технического состояния линии на основе интегрального критерия, сформированного искусственной нейронной сетью из совокупности диагностических параметров, согласно изобретению дополнительно производят автоматическое измерение избыточной температуры и учитываются показатель срока и условия эксплуатации и показатель безопасности, который определяется главным образом материалом и конструкцией кабельных линий.
Далее принимают решение о правильной организации технического обслуживания, ремонта и эксплуатации кабельных линий.
На фиг. 1 представлена структурная схема измерительного комплекса.
На фиг. 2 представлена корневая оценка технического состояния кабельной линии.
На фиг. 3 представлена лепестковая диаграмма оценки технического состояния кабеля.
На фиг. 4 представлен алгоритм принятия решений о техническом состоянии кабеля.
Измерительный комплекс (фиг. 1) содержит: генератор 1; исследуемую кабельную линию 2; осциллоскоп или осциллограф 3; приборы: контроль сопротивления изоляции 4, контроль добротности 5, контроль емкости 6, контроль тангенса угла диэлектрических потерь 7, контроль избыточной температуры 8.
На выходе кабеля осциллографом (или осциллоскопом) регистрируют кривую переходного процесса. Затем по переходной кривой определяют передаточную функцию W(p), из которой формальной заменой р на jω получают обобщенную частотную характеристику (формула 1).
Совместно с генератором и осциллографом используют приборы: Е7-22, предназначенный для автоматического измерения емкости, тангенса угла диэлектрических потерь, добротности и сопротивления на различных частотах; и тепловизионная камера NECTH9100 для оценки теплового состояния кабельных линий в виде избыточной температуры.
где k - коэффициент передачи;
1
Т, T - постоянные времени;
ω - угловая частота.
ω
Передаточная функция W(j) позволяет охарактеризовать все свойства исследуемой системы. Только необходимо установить, устойчива ли система. Ответ на этот вопрос дает применение критериев устойчивости, но они требуют выполнения некоторых действий. Для этого производят поиск корней полинома и представляют в виде точек на комплексной плоскости.
Методом распределения корней оценивают устойчивость характеристического уравнения: существует область на плоскости, внутри которой располагаются корни характеристического уравнения, эту область определяет степень устойчивости. В геометрическом представлении степень устойчивости равна расстоянию от мнимой оси до ближайшего к ней корня характеристического уравнения устойчивой системы.
Для определения технического состояния кабельной линии и ее остаточного ресурса, изображают корневую оценку технического состояния кабельных линий с различными корнями на общем графике (фиг. 2). По графику видно, что чем больше повреждений имеет кабельная линия, тем ближе корни к мнимой оси, то есть они приближаются к границе устойчивости. Это означает, что чем ближе к границе устойчивости, тем меньше становится остаточный ресурс кабельной линии и можно предположить о ее настоящем техническом состоянии, а также определить запас устойчивости.
Для количественной оценки уровня деградации диэлектрических свойств изоляции кабеля использован метрический метод распознавания образов. Мерой уровня деградации служит расстояние между текущими значениями координат корней характеристического уравнения и координатами корней, соответствующих либо исходному, либо предельному состоянию кабеля (параметр D).
Область D исправного кабеля может быть выражена формулой (2)
где X - действительная часть комплексного корня характеристического уравнения передаточной функции;
Y - мнимая часть комплексного корня характеристического уравнения передаточной функции;
ϕ - расстояния между значениями.
уд
В зависимости от расположения корней передаточной функции на комплексной плоскости, состояние кабельной линии по аналогии с методом вибродиагностики машинных агрегатов, подразделяется на три подгруппы - «Нормальное», «Удовлетворительное» и «Неудовлетворительное», которым соответствуют следующие состояния поврежденности: «Повреждение не обнаружено», «Повреждение обнаружено», «Обнаружено критическое повреждение». Состояние «Повреждение не обнаружено» соответствует расположению корней передаточной функции в области D. Расположение корней передаточной функции, не принадлежащее области D, соответствует состоянию «Обнаружено критическое повреждение» (100% уровень поврежденности согласно ГОСТ 27.002-89, при котором дальнейшая эксплуатация кабеля недопустима). Порог состояния «Повреждение обнаружено» составляет 20% от уровня состояния «Обнаружено критическое повреждение» и соответствует расположению корней передаточной функции в области D (формула 3).
Параметр D применяют для определения расчетных значений состояния кабеля в программном обеспечении, а для визуализации текущего технического состояния кабельной линии на мониторе компьютера или операторской панели используется метод многопараметровой динамической количественной оценки технического состояния, представленный в виде лепестковой диаграммы (фиг. 3).
Данная 7-лепестковая диаграмма позволяет оценивать совокупность значений диагностических параметров благодаря своим лучам, на которых откладывают значения сопротивления изоляции, добротности, емкости, тангенса угла диэлектрических потерь, избыточной температуры, действительную и мнимую части корней характеристического уравнения передаточной функции. Отложив данные диагностических параметров от центра и соединив полученные при этом точки соседних радиальных лучей отрезками прямых, получаем образ состояния диагностируемого объекта.
Нанеся на лепестковую диаграмму значения исправного кабеля, получаем образ бездефектного состояния объекта, то есть образ «нормальное».
Если образ, описывающий диагностируемый объект, выходит за пределы области, ограниченной образом «Нормальное» хотя бы по одному значению параметра, то это означает наличие развивающегося дефекта.
Далее для определения уровня поврежденности кабельных линий в целом предложен интегральный диагностический параметр поврежденности I, формируемого из совокупности диагностических параметров,
где С - емкость;
tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь;
Q - добротность;
R - сопротивление;
ΔT - избыточная температура;
D(Im) - мнимая часть корня передаточной функции;
D(Re) - мнимая часть корня передаточной функции.
Анализируя интегральный диагностический параметр искусственной нейронной сетью из совокупности диагностических параметров, получим выражение (5)
где m - одинаковое число входов параллельно действующих линейных элементов;
j0
w - пороговый коэффициент;
ji
w - весовой коэффициент i-го входа j-го нейрона.
Для обучения искусственных нейронных сетей, предназначенных для определения значений интегрального диагностического параметра I, используют процесс сбора и предварительной обработки диагностических параметров, поэтому был создан алгоритм принятия решений о техническом состоянии кабеля (фиг. 4). В базе данных (хранилище данных программы) информацию используют для принятия решений. В модуле принятия решения происходит поиск оптимальных решений и формирование заключений. В процессе или по результатам решения задачи запрашивают обоснование хода решения, и система предоставляет лепестковую диаграмму для визуализации.
Для более достоверной оценки технического состояния кабельных линий применяются показатель срока и условия эксплуатации и показатель безопасности, который определяется главным образом материалом и конструкцией кабельных линий. Эти показатели выступают в качестве дополнительных диагностических параметров.
∑
∑
В итоге оценку технического состояния кабельных линий в виде интегрального критерия I осуществляем путем использования совокупности интегрального диагностического параметра с учетом показателя срока и условия эксплуатации и показателя безопасности. Формируя интегральный критерий I искусственной нейронной сетью, получим выражение (6)
где r - показатель срока и условия эксплуатации;
Б
К - показатель безопасности;
J
δ - весовой коэффициент учета важности I для кабельной линии J-го вида;
J
g - весовой коэффициент учета важности срока и условия эксплуатации кабельной линии J-го вида;
J
Б
q - весовой коэффициент учета важности К для кабельной линии J-го вида.
i
Б
J
J
J
Значения r, δ, g, q определяются методом экспертных оценок, K - по статистическим данным службы эксплуатации о пробоях кабельных линий. Пробои напрямую зависят от материала из которого изготавливают кабельные линии, поэтому учет данной статистики очень важен при оценки технического состояния.
∑
Значения интегрального критерия I соответствуют техническому состоянию кабельной линий, которые экспериментально и при помощи нейронной сети были поделены на группы:
- 0…5% соответствует состоянию «Отличное» (дефектов на кабельной линии не обнаружено);
- 6…20% - состоянию «Хорошее» (несущественные отклонения, не влияющие на работоспособность кабельной линии);
- 21…50% - состоянию «Удовлетворительное» (обнаружены существенные дефекты, которые влияют на работоспособность кабельной линии);
- 51…100% - состоянию «Очень плохое» (недопустим последующая эксплуатация кабельной линии).
Согласно ГОСТ 27.002-2015 за 100% уровень принято состояние, при котором дальнейшая эксплуатация кабельной линии недопустима.
Данный способ оценки технического состояния кабельных линий позволяет формировать рекомендации о сроках и приоритете обслуживания кабельных линий на основе оценки их технического состояния с использованием интегральных критериев.