Система анализа электрических сигналов линий электропередачи

УДК 621.31

СИСТЕМА АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Д. А. Поляков, В. Н. Пугач, К. И. Никитин, И. В. Комаров

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-79-84

Аннотация - Одной из наиболее актуальных проблем электроэнергетики является надежность функционирования энергосистем. Линии электропередачи являются самым распространенным элементом энергосистем, а самой частой причиной технологических нарушений на воздушных и кабельных линиях электропередачи является пробой (перекрытие) изоляции. В статье рассматривается датчик тока и напряжения, разработанный для использования в составе устройства контроля состояния изоляции. Однако конструкция датчика позволяет решать ряд дополнительных задач, среди которых может быть анализ показателей качества электрической энергии, учет электрической энергии, определение термического действия тока в токопроводящей жиле. Также рассматриваются возможные способы цифровой обработки данных с использованием микропроцессорной техники. Предложенная конструкция датчика позволяет решать все перечисленные задачи, однако требуется проведение дополнительных исследований для определения его метрологических характеристик, так как задачи контроля и учета электрической энергии требуют высокой точности измерений.

Ключевые слова: изоляция линий электропередачи, контроль состояния изоляции, анализ электрических сигналов, измерение частичных разрядов, датчик тока и напряжения.

I. Введение

Одним из наиболее важных параметров функционирования систем передачи и распределения электроэнергии является их надежность. При этом воздушные и кабельные линии электропередачи являются самыми распространенными элементами электроэнергетических систем. Следовательно, обеспечение надежности функционирования линий электропередачи (ЛЭП) является одной из наиболее актуальных задач этой области электроэнергетики. Самой частой причиной технологических нарушений на кабельных линиях является пробой изоляции, вызванный ее деструкцией.

Существующие в настоящее время стандарты испытаний линий электропередачи подразумевают следующие испытания [1-6]:

• испытание напряжением (как правило, производится испытание повышенным постоянным напряжением, напряжением промышленной или сверхнизкой частоты, испытание грозовыми импульсами);

• испытание внешней оболочки кабеля (если требуется);

• измерение частичных разрядов;

• проверка токопроводящей жилы путем внешнего осмотра или измерения;

• измерение электрического сопротивления жилы;

• измерение толщины изоляции и наружной оболочки;

• измерение толщины металлической оболочки;

• измерение диаметров (если требуется);

• испытание на тепловую деформацию изоляции из сшитого полиэтилена (XLPE) и этиленпропиленовой резины (EPR);

• измерение емкости;

• измерение плотности изоляции из полиэтилена высокой плотности (HDPE);

• испытание грозовым импульсным напряжением с последующим испытанием напряжением промышленной частоты;

• испытание коммутационным импульсным напряжением;

• испытание на водонепроницаемость (если требование предъявляется);

• измерение сопротивления изоляции;

• измерение тангенса угла диэлектрических потерь;

• испытание на изгиб.

Большая часть перечисленных испытаний производится только для кабельных линий электропередачи ввиду их конструктивных особенностей. Проверки же воздушных линий по большей части сводятся к внешнему осмотру всех частей их конструкции и измерению электрических параметров изоляторов. Кроме того, многие из перечисленных испытаний проводятся заводом-изготовителем для контроля качества изготовляемой продукции.

Существенным недостатком испытаний, проводимых в процессе эксплуатации ЛЭП для контроля состояния изоляции, является тот факт, что они проводятся периодически. Анализ результатов испытаний позволяет сделать вывод о состоянии изоляции в целом и определить, необходим ли ремонт линии электропередачи.

Дополнительным недостатком является проведение испытаний с использованием напряжения выше номинального в 1,5-1,75 раза даже при измерении частичных разрядов. Использование повышенного напряжения является разрушающим для изоляции и может вызывать ее ускоренное старение.

Следовательно, в настоящее время наиболее актуальным является исследование по разработке системы мониторинга состояния изоляции ЛЭП в режиме онлайн под нагрузкой. Такой аппаратно-программный комплекс устройств позволяет производить мониторинг состояния изоляции и прогнозировать ее пробои.

Для указанной цели предлагается использовать мониторинг характеристик частичных разрядов. Результаты исследований, описанные в [7-9], говорят об эффективности использования характеристик частичных разрядов в качестве диагностического инструмента при определении состояния изоляции. В [7] описана динамика изменения мощности частичных разрядов (ЧР) в процессе роста дефекта изоляции, что позволит выработать критерий возникновения предпробойного состояния изоляции.

Также следует добавить, что в [10] описана динамика развития частичных разрядов в процессе старения диэлектрика. При этом проводился анализ среднего заряда, функция изменения которого схожа с функцией изменения мощности ЧР при развитии дефекта. Анализ характеристик частичных разрядов, описанный в [11] показал, что они существенно изменяются при увеличении размеров дендрита в изоляции. При этом выявлено наличие элементов детерминированного хаоса в явлении частичных разрядов. В [11] также делается вывод, что механизм возникновения предпробойного состояния изоляции скорее детерминистический, чем случайный процесс. Кроме того, сигналы ЧР могут быть использованы для определения месторасположения дефекта, например, с помощью метода бегущих волн [12].

Данные о возникновении предпробойного состояния изоляции могут быть использованы для реализации прогнозирующей релейной защиты, производящей отключение линии с дефектом, способным привести к повреждению изоляции, с предварительным включением секционного выключатели с целью исключения перерыва питания конечного потребителя [13, 14].

Кроме того, для измерения характеристик частичных разрядов с максимально возможной точностью требуется осциллографирование и обработка электрических сигналов тока утечки и тока каждой фазы ЛЭП. Однако осциллографирование этих сигналов является технически сложной задачей, следовательно, рационально использовать полученные данные для исследования комплекса характеристик, перечень которых может быть определен конструкцией измерительного устройства.

II. Постановка задачи

Основной целью работы является разработка системы мониторинга состояния изоляции воздушных и кабельных линий электропередачи, производящей измерение характеристик частичных разрядов под нагрузкой и их анализ. Однако данные, получаемые с устройства измерения, позволяют определять более широкий спектр электрических величин. Поэтому вторичной целью является разработка системы, производящей расчет широкого спектра характеристик, необходимых для анализа режима работы ЛЭП или энергосистемы в целом.

III. Теория

1. Измерение электрических сигналов

Использование традиционных измерительных трансформаторов тока и напряжения для регистрации сигналов частичных разрядов невозможно, так как ЧР представляют собой короткие токовые импульсы длительностью от десятков наносекунд до единиц микросекунд в зависимости от параметров схемы измерения. Очевидно, что такие короткие импульсы будут проинтегрированы традиционными трансформаторами ввиду большой индуктивности их обмоток.

В связи с этим предлагается использовать датчик тока и напряжения [15], главным достоинством которого является использование безынерционных резистивных элементов для регистрации напряжений, пропорциональных фазному току жилы и току утечки в линии электропередачи. Кроме того, конструкция датчика такова, что может быть использована как для воздушных (рис. 1), так и для кабельных (рис. 2) линий электропередачи.

Рис. 1. Структурная схема датчика тока и напряжения для воздушной линии электропередачи

Рис. 2. Структурная схема датчика тока и напряжения для подключения к кабельной линии электропередачи

Сигналы напряжений на резисторах Я и Я2 с каждой фазы линии электропередачи поступают в блок преобразования сигналов, в котором они подвергаются аппаратной и программной обработке. Учитывая широкий спектр возможных получаемых результатов обработки сигналов, предлагается производить следующие действия с электрическими сигналами:

• регистрация электрических сигналов частичных разрядов с использованием мостовой схемы для отстройки от помех с частотой дискретизации не менее 40 МГц, так как ранее был получен результат [16], что частотный спектр импульсов частичных разрядов имеет существенную спектральную плотность в диапазоне частот до 20 МГц;

• преобразование сигналов ЧР с помощью аппаратных средств (например, фильтра верхних частот или устройства, в котором реализован способ выделения слагаемой электрической величины [17]) для фильтрации основной гармоники в сигнале, содержащем частичные разряды, с целью упрощения анализа сигналов частичных разрядов;

• запись сигналов тока и напряжения для передачи на диспетчерскии пункт с частотой дискретизации не менее 4 кГц и разрядностью АЦП не менее 10, так как это минимально допустимые параметры обработки сигнала для задач анализа показателей качества электрической энергии, исходя из требований к показателям качества, описанным в [18];

• учитывая большой объем записываемых данных, требуется производить их обработку в блоке преобразования сигналов и для упрощения передачи данных средствам АСУ ТП использовать вейвлет-преобразование.

2. Обработка сигналов

Исходя из получаемых данных об электрических сигналах и технических особенностей их регистрации, предполагается решать следующие задачи с использованием датчика:

• регистрировать сигналы частичных разрядов и рассчитывать их характеристики. Для мониторинга характеристик частичных разрядов с целью контроля состояния изоляции предлагается рассчитывать и анализировать мощность ЧР;

• регистрация величины тока в токопроводящей жиле для расчета его термического воздействия на изоляцию. Данный расчет необходим для определения остаточного ресурса изоляции и реализации термической защиты линии электропередачи;

• регистрация сигналов тока и напряжения для оценки показателей качества электрической энергии с учетом всех требований, описанных в [18];

• регистрация тока и напряжения линии для целей контроля и учета электрической энергии.

Исходя из перечня решаемых задач, принцип работы блока преобразования сигналов можно представить структурной схемой:

Рис. 3. Структурная схема блока преобразования сигналов датчика тока и напряжения

Стоит отметить, что расчет напряжения линии электропередачи, исходя из напряжения на резисторе Я2, можно производить при известных параметрах изоляции, а именно емкости и активном сопротивлении или емкости и тангенсе угла диэлектрических потерь.

VI. Результаты исследований

Предложенный датчик тока и напряжения отвечает требованиям для использования в составе устройства контроля состояния изоляции. Однако конструкция датчика позволяет решать ряд дополнительных задач, среди которых может быть анализ показателей качества электрической энергии, учет электрической энергии, определение термического действия тока в токопроводящей жиле.

VI. Обсуждение результатов

Предложенная конструкция датчика прошла патентную экспертизу [15] и позволяет решать широкий спектр задач. Также конструкция датчика обсуждалась на международной конференции РНК СИГРЭ [19] и была воспринята положительно. В настоящее время проводятся экспериментальные исследования по регистрации сигналов частичных разрядов, схемное решение реализуемо с данной конструкцией датчика. При этом, с помощью осциллографа, удалось зарегистрировать импульсы ЧР с минимальным кажущимся зарядом порядка 0,1 пКл. Современный стандарт измерения ЧР [20] не устанавливает минимальную регистрируемую величину кажущегося заряда, а лишь говорит о необходимости регистрации импульсов ЧР выше уровня помех с точностью не менее 10%.

VI. Выводы и заключение

1. Предложена система анализа электрических сигналов линии электропередачи. Оригинальная конструкция датчика тока и напряжения позволяет анализировать широкий спектр параметров тока и напряжения линии электропередачи, хотя первоначально датчик разрабатывался для контроля состояния изоляции путем анализа характеристик частичных разрядов.

2. Конструкция датчика позволяет достичь высокой точности регистрации сигналов частичных разрядов за счет использования резистивных элементов, фиксировать высокочастотные составляющие сигналов ЧР до 20 МГц.

3. Использование цифровых средств обработки данных позволяет анализировать большие объемы данных до передачи данных средствам АСУ ТП.

4. Датчик может использоваться для работы в составе комплексной системы, производящей мониторинг состояния изоляции линий электропередачи с помощью системы прогнозирующей защиты.

5. Основным недостатком датчика является возможное получение большой погрешности измерения при учете электрической энергии. Однако этот вопрос требует дополнительного исследования для оценки метрологических характеристик такого способа контроля и учета электрической энергии.

Источник финансирования. Благодарности

Работа выполнена в рамках НИР № 17068В ОмГТУ.

Список литературы

1. Пономарев Н. В. Анализ методов диагностики состояния силовых высоковольтных кабельных линий // Вестник КузГТУ. 2012. № 5 (93). С. 68-71.

2. Гудков В. В. Особенности методик и средств испытаний кабелей с СПЭ-изоляцией // Энергобезопасность и энергосбережение. 2009. № 6. С. 9-11.

3. Правила устройства электроустановок. Издательство НЦ ЭНАС, 2000. 552 с.

4. ГОСТ 31946-2012. Провода самонесущие изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи. Общие технические условия. Введ. 01.01.2014. М.: Стандартинформ, 2013.

5. ГОСТ Р 55025-2012. Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ включительно. Общие технические условия. Введ. 01.07.2013. М.: Стандартинформ, 2014.

6. ГОСТ Р МЭК 62067-2011. Кабели силовые с экструдированной изоляцией и арматура к ним на номинальное напряжение свыше 150 кВ (U(m) = 170 кВ) до 500 кВ (U(m) = 550 кВ). Методы испытаний и требования к ним. Введ. 01.07.2012. М: Стандартинформ, 2012.

7. Исмагилов Ф. Р., Максудов Д. В. Математическое моделирование развития частичных разрядов в процессе старения диэлектрика // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2011. Т. 15, № 3 (43). С. 98-100.

8. Кучинский Г. С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: «Энергия». Ленингр. отд-ние, 1979. 224 с.

9. Вдовико В. П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Новосибирск: Наука, 2007. 155 с.

10. Ahmed Z., Hussain G. A., Lehtonen M., Varacka L., Kudelcik J. Analysis of partial discharge signals in medium voltage XLPE cables // 2016 17th International Scientific Conference on Electric Power Engineering (EPE). Prague. 2016. P. 1-6. DOI: 10.1109/EPE.2016.7521817. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp= &arnumber=7521817&isnumber=7520888.

11. Chen X., Xu Y., Cao X. Nonlinear time series analysis of partial discharges in electrical trees of XLPE cable insulation samples // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2014. Vol. 21, no. 4. P. 1455-1461. DOI: 10.1109/TDEI.2014.004307

12. Yuan Y. [et al.]. Dielectric loss and partial discharge test analysis of 10 kV XLPE cable // 2013 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. Shenzhen. 2013. P. 124-127. DOI: 10.1109/CEIDP.2013.6747414.

13. Горюнов В. Н., Никитин К. И., Сарычев М. М. Опережающий автоматический ввод резерва собственных нужд электрических станций и подстанций // Омский научный вестник. 2011. № 3 (103). С. 211-213.

14. Никитин К. И., Сарычев М. М., Степанов В. Д., Ерёмин Е. Н., Хацевский К. В. Опережающее автоматическое включение резерва // Омский научный вестник. 2012. № 1 (107). С. 237-238.

15. Пат. 2608335 Российская Федерация, МПК G01R 19/00. Оптико-электронный датчик тока и напряжения / Никитин К. И., Поляков Д. А., Довбня Б. Я., Клецель М. Я., Максимов В. М. № 2015116387; заявл. 29.04.2015; опубл. 17.01.2017, Бюл. № 2.

16. Поляков Д. А., Комаров И. В., Никитин К. И., Пугач В. Н. Измеритель мощности частичных разрядов // Актуальные вопросы энергетики: материалы Международной научно-практической конференции. Омск: Издательство ОмГТУ, 2017. С. 290-293.

17. Пат. 2564536 Российская Федерация, МПК G 01 R 23/167. Способ выделения слагаемой электрической величины / Антонов В. И., Наумов В. А., Солдатов А. В., Иванов Н. Г. № 2014125935/07; заявл. 26.06.2014; опубл. 10.10.2015, Бюл. № 28.

18. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.07.2014. М.: Стандартинформ, 2014.

19. Поляков Д. А., Никитин К. И., Пугач В. Н., Поляков, Клецель М. Я. Мониторинг состояния изоляции линий электропередачи для прогнозирующей защиты // Релейная защита и автоматика энергосистем: труды Международной науч.-техн. конф., 25-28 апреля 2017. Санкт-Петербург, 2017.

20. ГОСТ Р 55191-2012. (МЭК 60270:2000). Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов. Введ. 01.01.2014. М.: Стандартинформ, 2014.

УДК 621.31

МОНИТОРИНГ ТЕМПЕРАТУРЫ СПЭ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА

В. Н. Пугач, Д. А. Поляков, К. И. Никитин, Д. А. Юрчук

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-84-92

Аннотация - Задачи мониторинга температуры изоляции кабельных линий являются актуальной проблемой электроэнергетики. Одним из наиболее перспективных исследований является разработка методов определения остаточного ресурса изоляции кабелей, рассчитать который можно на основе данных мониторинга температуры изоляции и других факторов, оказывающих существенное воздействие на изоляционный материал. Нами проведен анализ возможных способов мониторинга температуры изоляции кабельных линий электропередачи с изоляцией из сшитого полиэтилена. Предложены технические решения построения устройств мониторинга температуры в зависимости от особенностей объекта мониторинга, разработаны структурные схемы устройств мониторинга температуры изоляции кабеля, рассмотрены возможные технические решения использования контактных, бесконтактных датчиков температуры и оптоволоконной жилы. Проведено экспериментальное измерение температуры поверхности кабеля с использованием многозонного контактного датчика температуры, в результате которого получено неравномерное распределение температуры поверхности кабеля. Разница полученных температур превышает погрешность измерения датчиков температуры и увеличивается с ростом температуры окружающей среды. Мониторинг температуры изоляции кабеля позволит рассчитывать ее остаточный ресурс, определять месторасположение дефекта, реализовать термическую защиту кабеля от перегрева и повысить его пропускную способность.