Комплексный подход к дистанционной диагностике состояния подвесной изоляции

УДК 621.315

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКЕ СОСТОЯНИЯ ПОДВЕСНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Р.М. АЛЕЕВ, Д.К. ЗАРИПОВ, Т.В. ЛОПУХОВА Казанский государственный энергетический университет

В статье рассмотрены различные методы диагностики подвесной изоляции высоковольтных линий электропередачи. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана модель, описывающая работу гирлянды подвесных фарфоровых изоляторов. Полученные результаты позволяют на основе измерения внешних признаков изоляторов (напряжение, температура, наличие коронного разряда) определить их внутреннюю характеристику - активное сопротивление. Анализ результатов исследований показывает, что дистанционная диагностика подвесной изоляции с одновременным применением тепловизоров, ультразвуковых или оптико-электронных дефектоскопов позволяет, в подавляющем числе случаев, решить проблему выявления дефектных гирлянд изоляторов.

Одной из важных проблем, стоящих перед службами передачи и распределения электроэнергии, является проблема минимизация стоимости и, в то же время, повышения надежности систем, поставляющих электроэнергию потребителям [1]. Из существующих элементов, обеспечивающих надежную и безопасную передачу электроэнергии, наиболее критическим является подвесная изоляция электропроводов на опорах линий электропередачи (ЛЭП).

Согласно установленным в России нормам испытания электрооборудования и аппаратов электроустановок на воздушных линиях электропередачи, контроль электрической прочности многоэлементной подвесной изоляции производится путем измерения на каждом изоляторе напряжения с помощью штанги или сопротивления изолятора мегомметром. Измерения с помощью штанги производятся под рабочим напряжением и требуют строгого соблюдения правил техники безопасности в процессе работы бригады испытателей высокой квалификации. Измерения мегомметром возможны при отключенной линии. Оба метода слишком длительны и дороги для определения состояния отдельных изоляторов и их соединений, расположенных на опорах ЛЭП. В результате, проводится только статистический отбор проб состояния изолятора.

Некоторые отраслевые нормы испытаний [2, 3] допускают использование для этих целей приборов дистанционной диагностики - тепловизоров, ультразвуковых и оптико-электронных дефектоскопов и др.

Несмотря на очевидные достоинства дистанционных методов по сравнению с контактными: снижение трудозатрат и повышение безопасности, их

повсеместное внедрение в настоящее время ограничено отсутствием методики комплексной дистанционной диагностики изоляторов, а также неразработанностью критериев оценки дефектности изоляции по получаемым с приборов показаниям.

Целью данной работы является исследование методов дистанционного определения целостности изоляции ЛЭП. Анализ методов проведен на примере исследования гирлянд из трех фарфоровых изоляторов, повсеместно используемых на контактной сети переменного тока железных дорог России.

© Р.М. Алеев, Д.К. Зарипов, Т.В. Лопухова Проблемы энергетики, 2004, № 3-4

В данной работе на основе анализа результатов многолетнего опыта дистанционной диагностики подвесной изоляции контактной сети переменного тока, проводимой НПФ «Оптоойл» на Юдинской дистанции электроснабжения Горьковской железной дороги, а также путем экспериментальных и теоретических исследований определены возможности тепловизионной и ультразвуковой диагностики гирлянд подвесных изоляторов. Выявлены области возможных рабочих состояний изоляции, при которых наличие в ней дефектных изоляторов не выявляется измерением напряжения на изоляторах с помощью штанги, в то же время, они хорошо обнаруживаются дистанционно с помощью тепловизора.

В лабораторных условиях была собрана установка, имитирующая реальную ситуацию работы гирлянды из трех фарфоровых изоляторов в контактной сети переменного тока напряжением 27,5 кв. В экспериментах использовались гирлянды и отдельные изоляторы, снятые по результатам диагностики тепловизором «Карат» (ТВ), ультразвуковым дефектоскопом УД-8В (УД) на участке железной дороги в районе пос. Дербышки.

В экспериментах использовались: измерительная штанга, электронный мегомметр, мост для измерения tg5. Для измерения температуры изоляторов применялся контактный термометр ТК-4, точность измерения температуры которого составляла 0,1 °С. Минимальная обнаруживаемая разность температур ТВ «Карат» - 0,2 °С.

Перед началом экспериментов, по результатам измерения сопротивления мегомметром, все изоляторы были рассортированы на две категории -нормальные и дефектные. Дефектными считались изоляторы, имевшие сопротивление по постоянному току менее 300 МОм. Позднее, в ходе экспериментов, было установлено, что нормированная граница в 300 МОм не всегда правильно отражает состояние изолятора. В ходе экспериментов в категорию дефектных были включены некоторые изоляторы с большим сопротивлением постоянному току, но характеризующиеся большим тепловыделением. При замерах сопротивления было также обнаружено, что большинство дефектных изоляторов имеют значительные токи абсорбции.

Измерения емкостей изоляторов показали, что нормальные изоляторы имели емкость С от 34 до 38 пФ, что соответствует значениям собственных (геометрических) емкостей тарельчатых фарфоровых изоляторов. Емкости дефектных изоляторов были больше и росли одновременно с ростом tg5. У некоторых изоляторов наблюдалось изменение значений С и tg5 в зависимости от приложенного испытательного напряжения.

Базой испытательной установки являлась типовая испытательная лаборатория ЭТЛ-35, установленная в лаборатории техники высоких напряжений Казанского государственного энергетического университета.

Эксперимент проводился одновременно с двумя гирляндами изоляторов.

Через 4-5 часов после включения экспериментальной установки электрические и тепловые характеристики изоляторов стабилизировались. Напряжение на изоляторах в гирлянде измерялось с помощью штанги. Определялось наличие и величина сигналов на УД с различных расстояний от установки и ракурсов, и проводилась съемка гирлянды ТВ с записью изображений на видеопленку. Сразу после выключения установки с помощью ТК-4 измерялись средние значения температур шапок изоляторов.

Эксперименты проводились при различном сочетании и положении в гирлянде дефектных и нормальных изоляторов. Всего было проведено более десяти циклов измерений.

На отдельном этапе экспериментов, в дополнение к имеющимся диагностическим приборам (тепловизору и УД), использовался оптикоэлектронный дефектоскоп «Филин-3». Как известно, и дефектоскоп «Филин-3», и УД-8В работают на обнаружение коронного разряда. Сравнительное тестирование обоих приборов показало, что эффективность их при обнаружении дефектов в гирляндах изоляторов примерно одинакова. Находившийся в нашем распоряжении дефектоскоп УД-8В имел даже более высокую чувствительность. Учитывая функциональные ограничения дефектоскопа «Филин-3», связанные с его возможностью работать только в темноте, в дальнейшем он не использовался.

Во всех проведенных экспериментах коронный разряд на изоляторах гирлянды возникал только в том случае, если падение напряжения на одном из изоляторов превышало 15 кВ, что согласуется с данными, приведенными в статье

[4].

Эксперименты показали, что тепловизор обладает более широкими возможностями, и в дальнейшем основные усилия были сосредоточены на создании тепловой модели гирлянды изоляторов.

По данным о температуре, полученным с тепловизора и контактного термометра, определялось активное сопротивление изолятора Яа/ по соотношению

и и;2

п _ Ш Т1

аг~ АТ

, ; = 1 ... 3,

где ии1 - напряжение на г-м изоляторе, В; Ят; - тепловое

сопротивление теплоотдачи шапки г-го изолятора, °С/Вт; АТи/ - измеренная разность температур шапка г-го изолятора - воздух, °С. Во время экспериментов температура воздуха была 11 - 15 °С.

Величина Ят1 определялась расчетным путем, исходя из условия теплоотдачи при свободном движении охлаждающей среды и при предположении что теплота, образующаяся при протекании тока внутри изолятора, выделяется равномерно во всем слое фарфора между шапкой и пестиком.

Данное условие было принято после рассмотрения под микроскопом структуры осколков фарфора, взятых из участков под шапками новых и бывших в эксплуатации изоляторов. Было установлено, что в дефектных изоляторах внутренний слой испещрен множеством случайно расположенных вкраплений (прожигов) овальной формы черного цвета размером 50-200 мкм.

На основе проведенного анализа была предложена модель, при которой внутренняя изоляция фарфорового изолятора представляет собой неоднородную структуру, которую можно представить как совокупность зон (вкраплений) с повышенной проводимостью, равномерно распределенных в изолирующем слое фарфора между электродами. Число зон п ^ 0. Значение п = 0 для нового изолятора, не прошедшего электрические испытания.

Электрическая схема замещения предложенной модели изолятора, с геометрической емкостью С и сопротивлением току сквозной проводимости Я, при подаче на него переменного напряжения ии приведена на рис. 1. Каждая ветвь на рис. 1, состоящая из Я/, С и Бр эквивалентна некоему пути протекания тока © Проблемы энергетики, 2004, № 3-4

внутри изолятора, соответствующая определенному напряжению ии

возникновения частичных разрядов, имитируемых пробоем разрядника Л).

№

Z

о

i’i Cj Vsj c„ -- \

S„

* T

J R\ Rn

т т т

Рис.1. Электрическая схема замещения изолятора

Исходя из принятой выше модели изолятора и, если пренебречь перепадами температуры внутри изолятора, считать, что полная мощность, выделяемая в конструкции, P = const, то можно получить следующее уравнение для стационарного режима тепловыделения для i -го изолятора [5]:

Р;

T = T + -

1 i 1 окр т с , kti  Si

где Т;, Р; - температура и выделяемая мощность внутри г-го изолятора соответственно; $ и к; - полная площадь охлаждаемой поверхности и коэффициент теплоотдачи г- го изолятора.

В выражении (2) 1/кц^; - тепловое сопротивление Яц. Коэффициент теплоотдачи к; есть сумма коэффициентов теплоотдачи конвекцией кк1 и излучением кг1, которые вычисляются из следующих выражений:

кн = 5,67

окр

T- + 273 V ( Т„кр + 273^4

100

к ki =

'kc(Gri Pr)пт

окр

100

s

l

где Ог; = PgA773/v2 - критерий Грасгофера; Рг = v/a - критерий Прандля; I -определяющий геометрический размер охлаждаемой поверхности; g - ускорение свободного падения; АТ = Т; - Гокр перепад температур охлаждаемая поверхность -охлаждающая среда; в - коэффициент объемного расширения охлаждающей среды; V - кинематическая вязкость; а - коэффициент температуропроводности; А - коэффициент теплопроводности охлаждающей среды. Постоянные сип, зависящие от режима движения охлаждающей среды, для нашего случая соответственно равны 0,54 и 0,25.

Значения параметров, использованных для расчета, приведены в таблице 1.

Т 0С 1 окр> Ы02, Вт/(мК) а-106, м2/с у-106, м2/с в, 1/с Рг

20 2,59 21,4 15,06 1/273 0,703

В качестве определяющего геометрического размера охлаждаемой поверхности I принята высота шапок изоляторов, равная 0,11 м. Площадь охлаждаемой поверхности $ определялась путем измерения площади чугунной шапки изолятора и фарфоровой и бетонной частей изолятора, расположенных непосредственно под шапкой и примыкающих к пестику. Для изолятора ПФ-70 ~0,06 м2. Величина коэффициента излучения 8 для сильно окисленной поверхности чугуна равна ~ 0,95, глазурированного фарфора и бетона - ~ 0,92 [6].

В результате расчетов было получено среднее значение Ят1 , приблизительно равное 2 Вт/ °К.

Для гирлянды, состоящей из трех изоляторов, находящихся под фазным

напряжением Цф, при условии что £ С « С, электрическая схема замещения представлена на рис. 2. Яа1, Яа2, Яа3 являются активными сопротивлениями соответствующих изоляторов; Сп1, Сп2 - частичные емкости относительно провода, а Ск2 и Ск - частичные емкости относительно изолирующей конструкции.

О * *

Рис. 2. Электрическая схема замещения гирлянды из трех изоляторов

Для упрощения расчетов схема на рис. 2, может быть преобразована к виду, изображенному на рис. 3, где і1, і2, і3, і4, і5 - токи в схеме; Х1=1/[1/1/Яа1+а(С+Сп1)/], Х2=1/[1/1/Яй2+юС/], Хз=1/[1/1/Лйз+ю(С+Скз)/'], Хп2=1/(юСп2/), Хк2=1/(юСк2/') - полные сопротивления; / - мнимая единица.

Расчет схемы производился

программой MathCad 2001. Система

уравнений, по которой производился расчет, имеет вид:

11= 12 + 14,

12 + 15 = *3;

Цф = /5Хп2 + /3Х3;

Цф = 11X1 + 12X2 + /3X3,

иф /]Х1 + /4^Хк2.

В результате расчетов были получены выражения для токов и напряжений на каждом изоляторе, по которым вычислялись выделяемые мощности и далее, по формуле (2), расчетные значения ДТр/ = Тр/ - Токр. В расчетах значения собственных и частичных емкостей изоляторов принимались равными 36 пФ и 3 пФ соответственно.

Во всех случаях было получено близкое совпадение измеренных и расчетных значений ДТ и и, что подтвердило правильность выбранной расчетной модели.

Отдельные результаты экспериментов и расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований

№ гир- лянд № изолятора от провода Тип изоля- тора я, МОм Ц* кВ Сиг- налы с УД, дБ Т  1 ии сред- нее, °С ДТ* сред- нее, °С Rаi, МОм ДТрі , °С иРі, кВ

1 1 ПФ-6Б 250 5,0 25 13,2 2,2 18 2,4 5,2

2 ПФ-6Б 6000 21,5 12,9 1,9 397 2,2 23,3

3 ПФ-6Б 8 3,0 12,4 1,4 11 1,5 3,1

2 1 ПФ-6Б 2500 16,0 2 15,0 1,5 280 1,6 16,5

2 ПФ-6А 2000 9,0 16,4 2,9 50 2,9 9,0

3 ПФ-70 7 4,0 15,1 1,6 21 2,0 4,5

3 1 ПФ-6Б 180 5,5 нет 15,2 1,7 29 2,2 6,3

2 ПФ-6Б 3000 17,5 15,2 1,7 292 1,8 17,9

3 ПФ-6Б 32 6,5 15,6 2,1 31 2,4 6,8

4 1 ПФ-6Б 180 4,5 нет 16,2 1,2 31 1,2 4,5

2 ПФ-6Б 3000 11,5 16,1 1,1 182 1,2 12,4

3 ПФ-70 750 11,5 16,6 1,6 168 1,7 12,0

5 1 ПФ-70 50000 14,0 нет 14,4 0,1 4900 0,1 13,7

2 ПФ-70 0,2 0 14,4 0,1 0 0 0

3 ПФ-70 5000 12,0 14,7 0,2 1700 0,3 13,7

Термограммы, полученные после обработки на ПК изображений гирлянд, снятых с помощью тепловизора «Карат», приведены на рис. 4. Номера термограмм соответствуют номерам гирлянд в табл. 2.

Рис. 3. Упрощенная схема замещения

В гирлянде № 1 заведомо имеются два дефектных изолятора. Наличие дефектов уверенно обнаруживается ультразвуковым дефектоскопом по акустическим сигналам поверхностных частичных разрядов (ПЧР),

возникающим на нормальном изоляторе. Дефектные изоляторы выявляются и с помощью штанги. На термограмме № 1 градиенты температур не велики, причем один из дефектных изоляторов светлее, а другой темнее остальных.

1 2 3 4 5

Рис. 4. Термограммы гирлянд изоляторов

В гирлянде № 2 второй изолятор по показаниям мегомметра не является дефектными. Однако значительный перегрев его говорит о большой активной составляющей тока, протекающего через изолятор. Это указывает на развитость разрядных процессов внутри изолятора, разрушающих его изолирующие свойства. На термограмме № 2 оба дефектных изолятора выглядят светлее нормального.

Главная особенность гирлянды № 3 в том, что, несмотря на наличие в ней по показаниям мегомметра двух дефектных изоляторов, измерение напряжения на изоляторах с помощью штанги и сопоставление результатов с нормами, установленными в [1], не выявило бы наличие в ней дефектных изоляторов. Тепловизором наличие дефекта обнаруживается.

В гирлянде № 4 один дефектный изолятор с достаточно высоким сопротивлением - 180 МОм. Здесь дефект выявляется косвенно - по перегреву наихудшего из нормальных изоляторов.

В аналогичной по структуре гирлянде № 5 нормальные изоляторы имеют очень высокое сопротивление, поэтому, из-за слабого тока через гирлянду, обнаружение дефекта тепловизионным методом в реальных условиях работы на высоковольтных линиях весьма затруднительно даже при наличии очень высокочувствительного тепловизора. В этой ситуации дефект может быть обнаружен с помощью штанги.

Разработанный теоретический подход к описанию работы гирлянды изоляторов принципиально позволяет осуществить связь между внешними признаками ее состояния (напряжение, температура, наличие коронного разряда) и внутренней характеристикой - активным сопротивлением изоляторов, которое является определяющим при оценке изолирующих свойств изоляции. Это позволяет более точно оценивать текущее состояние изоляции. Кроме того, предложенная модель позволяет разработать более эффективную методику диагностики и сформулировать требования к диагностическому оборудованию.

Проведенный анализ зависимостей распределения температур и напряжений в гирлянде при различных значениях активного сопротивления изоляторов показывает, что ни один из существующих методов диагностики не может в отдельности полностью оценить состояние изоляции. На рисунках 5 и 6 показаны графики зависимостей модулей разностей температур между изоляторами (|ДТ12|, |Д Т13|, |Д Т23|) и напряжениями на них (|^1|, |и2|, | и3|) от

величины активного сопротивления на одном из изоляторов (Ла1). Графики построены при значениях Яа 2 = 4-108 Ом и Яа 3 =1,7-107 Ом. Это один из примеров, доказывающих приведенное выше утверждение.

ДТ12

ДТіз

ДТ23

1 106 1 107 1 108 1 109 Д>Ъ Ом

Рис. 5. Графики зависимостей модулей разностей температур между изоляторами АДГ^!, ДГц!, |ДГгэ|)

На приведенном графике (рис. 5) видно, что при Яа 1 « 1,7-107 наблюдается общее снижение тепловых контрастов до уровня ниже порога чувствительности тепловизора (0,2 °С). При этом обнаружение с помощью тепловизора невозможно. Однако видно напряжение на одном из изоляторов существенно превышает значение 15 кВ (рис. 6). Значит, будет существовать коронный разряд, который можно будет обнаружить с помощью ультразвукового дефектоскопа. При этом значении Яа1 напряжения на всех изоляторах будут превышать 4 кВ, т.е. измерения штангой не выявят наличие дефектов. Таким образом, в этом случае наличие дефекта может быть обнаружено только с помощью УД.

Другая ситуация, отображенная на этих же графиках - это падение тепловых контрастов при Яа 1 « 4-108 Ом. Здесь обнаружение дефекта возможно с помощью измерительной штанги.

Во всех других случаях наличие дефектов в гирлянде изоляторов можно обнаружить с помощью тепловизора.

В целом, обобщая результаты проведенной работы с точки зрения ее практической ценности, можно сказать, что комплексная дистанционная диагностика подвесной изоляции способна в подавляющем большинстве случаев решить проблему выявления дефектных гирлянд изоляторов, за исключением лишь отдельных случаев, когда в гирлянде имеется один дефектный изолятор, а активные сопротивления других изоляторов близки друг другу.

U -

U2 -U3 -

Ral, Ом

Рис. 6. Графики зависимостей модулей напряжений на изоляторах (|^1|, |^2|, |^3|).

Несмотря на то, что в данной работе рассмотрен лишь вариант гирлянды с тремя изоляторами, общность подхода, принятая при рассмотрении данной проблемы, позволяет утверждать, что полученные результаты качественно не изменятся и для гирлянды, состоящей из большего числа изоляторов.

Summary

In article various methods of diagnostics of pendant isolation of high-voltage transmission lines are considered. On the basis of theoretical and experimental researches the model describing work of a garland of pendant porcelain isolators is developed. The received results allow on the basis of measurement of external attributes of isolators (the voltage, temperature) to define their internal characteristic - active resistance. The analysis of results of researches is shown, that with remote diagnostics of pendant isolation with simultaneous application thermovision display device, ultrasonic or optical-electronic defectoscope allows to solve in overwhelming number of cases a problem of revealing of defective garlands of isolators.

Литература

1. Диагностика изоляторов. www.vprojects.ru

2. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог. М.: «Транспорт», 1994.

3. РД.34.45-51.300-97. Объемы и нормы испытаний электрооборудования / НЦ ЭНАС. - Москва, 2000.

4. Вдовина В.П., Овсянников А.Г., Поспелов А.И. Диагностика электрической изоляции высоковольтного оборудования под рабочим напряжением // Энергетик. - 1995. - № 10. - С. 16-18.

5. Кучинский Г.С., Грейсух В.С., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения - М.: Энергоиздат, 1986.

6. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники - М.:

Советское радио, 1978. Поступила 13.06.2003