Система сбора данных для мониторинга состояния изоляции кабелей из сшитого полиэтилена

УДК 621.31

Д. А. ПОЛЯКОВ В. Н. ПУГАЧ К. И. НИКИТИН Д. А. ЮРЧУК

Омский государственный технический университет, г. Омск

СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ ДЛЯ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

Мониторинг состояния изоляции кабельных линий является актуальной проблемой электроэнергетики в связи с большим количеством коротких замыканий, вызванных пробоем изоляции. При решении задачи мониторинга состояния изоляции ключевыми факторами являются определение предпробойного состояния изоляции и расчет ее остаточного ресурса. Определять предпро-бойное состояние предлагается путем мониторинга характеристик частичных разрядов, которые, как известно, имеют определенную динамику изменения перед пробоем. Для определения остаточного ресурса требуется дополнительно контролировать напряжение питающей сети и температуру изоляции кабеля. В статье предложена реализация системы сбора данных, включающая в себя функции мониторинга всех учитываемых в процессе определения предпробойного состояния и остаточного ресурса изоляции воздействий. На основе получаемых данных предполагается в режиме онлайн рассчитывать остаточный ресурс изоляции и анализировать характеристики частичных разрядов по заданным в программном обеспечении математическим моделям.

Ключевые слова: кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена, предпробойное состояние изоляции кабеля, остаточный ресурс изоляции кабеля, мониторинг состояния изоляции.

1. Введение. Короткие замыкания на кабельных линиях с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-изоляцией), вызванные пробоем изоляции по причине ее естественного разрушения, является одной из основных причин и составляет более 70 % от общего числа технологических нарушений, возникающих в кабельных линиях в процессе эксплуатации. Из практики эксплуатации электрооборудования известны случаи, когда такие короткие замыкания приводили к крупным системным авариям с существенными экономическими потерями. В связи с этим контроль состояния изоляции на протяжении всего срока ее эксплуатации необходим для сведения количества коротких замыканий к минимуму.

Существующие в настоящее время стандарты испытаний изоляции кабельных линий подразумевают испытания повышенным напряжением, измерение частичных разрядов, измерение сопротивления и емкости изоляции и др. [1—3]. Использование повышенного напряжения при испытании изоляции и измерении частичных разрядов, предусмотренных существующими стандартами, является разрушающим для изоляционного материала и сокращает срок его службы.

В то же время известны неразрушающие методы диагностики и контроля состояния изоляции, не предусмотренные по существующим стандартам.

Среди них измерение тангенса угла диэлектрических потерь, коэффициента абсорбции, анализ возвратного напряжения и тока релаксации, метод рефлектометрии и метод контроля характеристик частичных разрядов без использования повышенного напряжения [4 — 7].

Основным недостатком традиционных испытаний является тот факт, что они проводятся периодически, следовательно, не позволяют прогнозировать короткие замыкания в долгосрочной перспективе, а только оценивать пригодность изоляции для дальнейшей эксплуатации или говорят о необходимости ее замены.

Также известны системы мониторинга состояния изоляции, работающие в режиме онлайн и производящие контроль характеристик, которые зависят от состояния изоляции под нагрузкой. Среди них системы мониторинга частичных разрядов (ЧР), измерения тангенса угла диэлектрических потерь, рефлектометрии. Перечисленные системы измеряют контролируемые параметры в режиме онлайн, что существенно более эффективно периодического контроля параметров. Однако для анализа данных, регистрируемых системой, требуется участие человека.

Следовательно, актуальным в настоящее время является исследование по разработке системы мониторинга состояния изоляции, производящей

регистрацию необходимой информации для определения ее предпробойного состояния и расчета ее остаточного ресурса. Кроме того, указанная система должна работать по заданным математическим алгоритмам и автоматически принимать решение о необходимости ремонта локального дефекта или о замене участка кабеля в целом. Такую систему можно назвать прогнозирующей защитой, предложенной в [8, 9].

Метод контроля характеристик частичных разрядов показывает хорошие результаты при его использовании для определения предпробойного состояния изоляции, так как характеристики частичных разрядов показывают существенные изменения непосредственно перед пробоем. Известно, что при наличии в изоляции достаточно большого дефекта частичные разряды возникают в нем регулярно, что влечет за собой существенное увеличение их мощности. Использование этого метода в совокупности с мониторингом других разрушающих факторов позволит определять остаточный ресурс изоляции при использовании математической модели ее старения.

Следовательно, система регистрации данных для мониторинга состояния изоляции кабелей должна быть спроектирована таким образом, чтобы имелась возможность измерять характеристики всех воздействий, которые необходимо контролировать для расчета остаточного ресурса изоляции с целью последующей обработки информации.

2. Постановка задачи. Целью работы является разработка системы сбора данных, необходимых для определения предпробойного состояния СПЭ-изоляции кабелей и расчета ее остаточного ресурса на основе математического моделирования процессов ее старения. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать возможные воздействия, оказываемые на изоляцию кабельных линий электропередачи в процессе ее эксплуатации, и определить воздействия, которыми можно пренебречь;

— предложить решение по проектированию системы сбора данных, способной производить мониторинг факторов, оказывающих существенное воздействие на состояние изоляции в процессе ее эксплуатации.

3. Теория. Анализ воздействий, оказываемых на изоляцию кабелей в процессе эксплуатации.

В процессе эксплуатации кабельных линий разрушение их изоляции может быть вызвано достаточно обширным спектром внешних и внутренних воздействий, среди которых могут быть [10—13]:

— электрическое поле высокой напряженности;

— температура;

— механические воздействия;

— увлажнение изоляции;

— радиация;

— УФ-излучение;

— химические воздействия.

Кабельная линия электропередачи может подвергаться воздействию всех вышеперечисленных разрушающих факторов в той или иной степени. Однако в некоторых случаях воздействием разрушающих факторов можно пренебречь. Конструкция кабельных линий такова (рис. 1), что существенное воздействие на изоляцию большинства эксплуатируемых кабелей могут оказывать только напряженность электрического поля и температура изоляции, определяющая скорость химических реакций при деструкции изоляционного материала.

Рис. 1. Конструкция одножильного кабеля с изоляцией

из сшитого полиэтилена: 1 — алюминиевая или медная токопроводящая жила,

2 — полупроводящий слой из сшитой полимерной композиции, 3 — изоляция из сшитого полиэтилена, 4 — полупроводящий слой из сшитой полимерной композиции, 5 — слой из электропроводящей водоблокирующей ленты, 6 — экран из медных проволок, скрепленных медной лентой, 7 — слой из электропроводящих водоблокирующих лент, 8 — полиэтиленовая оболочка

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

Остальными воздействиями можно пренебречь, так как они оказывают существенное воздействие только на поверхность оболочки кабеля или встречаются только при особых условиях. Следовательно, расчет остаточного ресурса необходимо производить, исходя из мониторинга воздействий температуры и напряжения на кабеле. Однако в некоторых случаях может возникнуть дефект в изоляции, не израсходовавшей свой ресурс. Для прогнозирования пробоя изоляции в этом случае необходимо производить мониторинг характеристик частичных разрядов.

1. Мониторинг воздействия электрического поля.

Следствием воздействия электрического поля является возникновение в изоляции частичных разрядов. Известно, что они могут присутствовать в кабеле и при рабочем режиме, однако при возникновении дефекта в изоляции начинают появляться регулярно, наблюдается рост характеристик (мощности, среднего кажущегося заряда), затем их кратковременное снижение, после чего происходит быстрый рост до пробоя [4, 14].

Для измерения характеристик частичных разрядов требуется возможность регистрации высокочастотных составляющих спектра сигналов тока и напряжения линий электропередачи. В связи с этим использование традиционных измерительных трансформаторов тока и напряжения для указанных целей невозможно.

В связи с этим предлагается использовать новую конструкцию датчика [15], позволяющего регистрировать одновременно ток и напряжение питающей сети (рис. 2). Достаточной точности регистрации

Рис. 3. Импульс частичного разряда

Рис. 4. Частотный спектр частичного разряда

высокочастотных составляющих предлагается достичь за счет использования безынерционных ре-зистивных шунтов и делителей, не вносящих искажения в формы сигналов.

Сигналы тока и напряжения, снимаемые с линии электропередачи, передаются на блок преобразования сигналов, используемый для следующих задач:

— преобразование сигналов с помощью аппаратных средств (например, полосового фильтра или устройства, предложенного в [16]) для анализа сигналов и выявления электрических сигналов частичных разрядов;

— оцифровка сигналов тока и напряжения для передачи на диспетчерский пункт с высокой частотой дискретизации и разрядностью АЦП;

— программные средства, используемые для обработки сигнала до его передачи на устройство прогнозирующей защиты (обработка данных 32-разрядным микроконтроллером с использованием вейвлет-преобразований или другого способа обработки данных для анализа сигнала).

Спектр частот частичных разрядов достаточно обширен и может содержать гармоники в диапазоне до десятков мегагерц. С целью определения необходимого частотного диапазона работы устройства было проведено осциллографирование характеристик частичных разрядов и проанализирован частотный спектр ряда импульсов. Пример импульса ЧР представлен на рис. 3, результат анализа его частотного спектра представлен на рис. 4. Указанный импульс имеет самую высокую плотность спектра на частоте 2 МГц, при этом сам спектр достаточно широк и содержит гармоники до 18 МГц. Однако спектр различных импульсов имеет некоторые различия, по результатам анализа ряда зарегистрированных импульсов максимумы спектральной плотности были зарегистрированы при частоте 1—2 МГц, а общий спектр менялся в пределах от 16 до 25 МГц. В некоторых случаях спектр не ограничивался этими частотами и имелись гармоники

до 150 МГц, но большая часть спектральной плотности находилась в частотном диапазоне до 25 МГц.

Однако, несмотря на существенное содержание гармоник низших частот в сигнале, требуется производить фильтрацию основной гармоники (50 Гц). Кроме того, различное электрооборудование может быть источником высших гармоник в сети. Так, согласно [17], для анализа показателей качества электрической энергии учитываются гармоники частотой до 2 кГц. В связи с этим целесообразно использовать фильтр верхних частот с ослаблением гармоник основного сигнала до 2 кГц не менее 20 дБ.

Обработку сигналов предлагается производить в блоке преобразования сигналов с помощью средств быстродействующей микропроцессорной техники. В частности предлагается рассчитывать кажущийся заряд каждого частичного разряда путем численного трапецеидального интегрирования, а также рассчитывать энергию каждого разряда и мощность частичных разрядов по методике, предложенной в [18].

2. Мониторинг температуры изоляции.

Мониторинг температуры изоляции кабелей является достаточно сложной задачей ввиду неравномерности распределения теплового поля в изоляции. В связи с этим данная задача тесно связана с математическими алгоритмами расчета распределения температуры в изоляции кабелей, основой расчета которых служит известное термическое действие тока, протекающего в токопроводящей жиле и экране, и температура в нескольких точках оболочки кабеля.

Возможными способами мониторинга температуры поверхности кабеля являются:

1. Измерение температуры с помощью контактных датчиков, механически вмонтированных в оболочку кабеля или кабельную муфту.

2. Измерение температуры с помощью бесконтактных пирометрических датчиков.

3. Измерение температуры с помощью оптоволоконной жилы, установленной в кабельной системе или непосредственно вмонтированной в кабель.

Термическое действие тока может быть вычислено при известном действующем значении тока, протекающего в жиле и экране, которое может быть измерено с помощью датчика тока и напряжения (рис. 2).

Важным фактом при выборе мест установки датчиков температуры является анализ мест возможного локального перегрева кабельных линий. Мониторинг температуры в таких местах является наиболее приоритетным ввиду ускорения процессов старения в области перегрева, что приведет к более быстрому выходу кабеля из строя. Однако следует контролировать температуру изоляции кабеля и в нормальных условиях для расчета остаточного ресурса всей кабельной линии.

3. Прогнозирующая защита.

Исходя из описанных выше решений мониторинга температуры и частичных разрядов, предлагается структурная схема прогнозирующей защиты (рис. 5). Для оптимизации работы прогнозирующей защиты часть вычислений целесообразно отдать непосредственно микропроцессорным блокам датчиков. Основной расчет остаточного ресурса изоляции наиболее рационально производить в блоке прогнозирующей защиты, в котором записана математическая модель расчета остаточного ресурса изоляции кабеля.

Рис. 5. Структурная схема прогнозирующей защиты

4. Выводы и заключение. Датчик тока и напряжения позволяет измерять и анализировать характеристики частичных разрядов, тока в жиле кабеля.

1. Выбор датчиков температуры для мониторинга температуры изоляции зависит от условий эксплуатации кабеля. Также на выбор способа измерения температуры влияет тот факт, устанавливается ли система на кабельную линию, находящуюся в эксплуатации, или на линию в процессе ее строительства.

2. Задачи мониторинга температуры изоляции и определения остаточного ресурса требуют дополнительных исследований по разработке математических алгоритмов расчета для реализации предложенной прогнозирующей защиты на практике.

Библиографический список

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

2. ГОСТ Р МЭК 62067-2011. Кабели силовые с экструдиро-ванной 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. URL: http://docs.cntd.ru/document/ gost-r-mek-62067-2011 (дата обращения: 01.06.2017).

3. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. М.: ЭНАС, 2000. 552 с.

4. 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.

5. Пат. 2373546 Российская Федерация, МПК G01R31/00 (2006.01). Способ определения состояния и ресурса изоляции / Зенова Е. М., Чернышев В. А., Чернов В. А. № 2008103231/28; заявл. 01.02.2008; опубл. 20.11.2009. Бюл. № 32. 9 с.

6. Пат. 2523075 Российская Федерация, МПК G01R27/18 (2006.01). Устройство для контроля качества электрической изоляции / Серебряков А. С., Семенов Д. А. № 2012122288/28; заявл. 01.02.2008; опубл. 20.07.2014. Бюл. № 20. 12 с.

7. Сотников В. В. Математическое моделирование системы локализации и типизации повреждений работающей силовой сети // Вестник СГТУ. 2011. № 4 (62). URL: http://cyberleninka. ru/article/n/matematicheskoe-modelirovanie-sistemy-lokalizatsii-i-tipizatsii-povrezhdeniy-rabotayuschey-silovoy-seti (дата обращения: 01.06.2017).

8. Горюнов В. Н., Никитин К. И., Сарычев М. М. Опережающий автоматический ввод резерва собственных нужд

электрических станций и подстанций // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2011. № 3 (103). С. 211-213.

9. Никитин К. И., Сарычев М. М., Степанов В. Д. [и др.] Опережающее автоматическое включение резерва // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2012. № 1 (107). С. 237-238.

10. Кучинский Г. С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние. 1979. 224 с.

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

12. Сажин Б. И. [и др.]. Электрические свойства полимеров / под ред. Б. И. Сажина. 3-е изд., перераб. Л.: Химия. 1986. 224 с.

13. Брацыхин Е. А., Шульгина Э. С. Технология пластических масс. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия. 1982. 328 с.

14. Ahmed Z., Hussain G. A., Lehtonen M., Varacka L., Kudelcik J. Analysis of partial discharge signals in medium voltage XLPE cables // 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 (дата обращения: 01.06.2017).

15. Пат. 2608335 Российская Федерация, МПК G01R 19/00 (2006.01). 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. Пат. 2564536 Российская Федерация, МПК G01R 23/167 (2006.01). 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.

17. 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. 16 с.

18. Поляков Д. А., Комаров И. В., Никитин К. И., Пугач В. Н. Измеритель мощности частичных разрядов // Актуальные вопросы энергетики: материалы междунар. науч.-практ. конф. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2017. С. 290-293.

ПОЛЯКОВ Дмитрий Андреевич, аспирант, старший преподаватель кафедры «Теоретическая и общая электротехника».

ПУГАЧ Вадим Николаевич, аспирант кафедры «Теоретическая и общая электротехника». НИКИТИН Константин Иванович, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника». ЮРЧУК Дмитрий Анатольевич, студент гр. Э-136 энергетического института.

Адрес для переписки: polyakowdmitry@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 13.06.2017 г. © Д. А. Поляков, В. Н. Пугач, К. И. Никитин, Д. А. Юрчук