Введение к работе
Актуальность работы. Задача обеспечения надежного электроснабжения агропромышленного комплекса и коммунально-бытовых приемников электрической энергией в значительной мере зависит от состояния воздушных линий 10 кВ (ВЛ-10 кВ), которые составляют большую часть электроэнергетического хозяйства страны. Протяженность ВЛ-10 кВ в целом по стране составляет более миллиона километров, и значительная часть оборудования проработала более 25 лет.
Изоляционные элементы ВЛ-10 кВ эксплуатируются за пределами установленных нормативов, что требует особого внимания к их работоспособности. Отсутствие средств выявления дефектов на ранней стадии их развития и несвоевременное отыскание места их возникновения приводит к непредвиденным отказам и перерыву электроснабжения объектов агропромышленного комплекса (АПК).
Исследованиям по разработке методов и средств технического диагностирования по оценке предаварийного состояния элементов распределительных сетей в настоящее время уделяется недостаточно внимания. Поэтому важным направлением обеспечения работоспособности ВЛ-10 кВ является совершенствование методов оценивания её состояния на основе использования современных научных знаний о процессах образования дефектов в элементах линии и применение автоматизированных информационно - измерительных комплексов для диагностирования состояния элементов ВЛ, позволяющих создать базу для нового направления эксплуатации оборудования - эксплуатации по техническому состоянию.
Решение задач по созданию системы технического диагностирования состояния ВЛ-10 кВ, позволяющее повысить надежность электроснабжения объектов АПК и способствующее повышению эффективности их функционирования, является реализацией Федерального закона от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» и направлено на выполнение программы энергосбережения в Российской Федерации. Это обстоятельство определяет актуальность проблемы.
Работа выполнена в соответствии с комплексными научно-техническими планами научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «Марийский государственный университет» согласно республиканской целевой программы.
Цель исследования. Целью работы является обеспечение работоспособности ВЛ-10 кВ путём разработки метода и средства диагностирования изоляционных элементов воздушных линии в системе электроснабжения АПК.
В связи с поставленной целью решаются следующие научные задачи исследования:
-
Анализ отказов элементов ВЛ-10 кВ по республике Марий-Эл, при их функционировании за период наблюдения 10 лет для определения наиболее характерных из них и обзор традиционных методов диагностирования состояния изоляции для выявления их недостатков.
-
Теоретическое обоснование процесса генерации ВЧ-сигналов в дефектных изоляционных элементах воздушных линий.
-
Экспериментальное исследование генерации ВЧ-сигналов в изоляционных элементах воздушных линий и распространения ВЧ-сигналов на реальных линиях антенным и гальваническим методами.
-
Разработка средства отыскания дефектных изоляционных элементов ВЛ-10 кВ и программного обеспечения для его работы, испытание разработанного метода в производственных условиях.
-
На основе теоретических исследований и экспериментов, проведённых в реальных условиях, определить признаки ВЧ-сигналов для различных видов дефектов и обосновать возможность определения координат дефекта по величине затухания и искажения ВЧ-сигнала в сетях ВЛ-10 кВ.
Объект исследования. Объектом исследования являются методы оценки технического состояния элементов изоляции ВЛ-10 кВ и процесс диагностирования.
Предмет исследования. Высокочастотные излучения, генерируемые дефектными изоляционными элементами ВЛ-10 кВ и возможность использования их параметров как диагностических признаков.
Методика исследований. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные методики с применением физического и математического моделирования.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
-
Установлены зависимости характеристик ВЧ-излучения от характера дефектов на элементах изоляции воздушных линий и их расположения.
-
Обоснованы информационные возможности сигналов ВЧ-излучения, генерируемых дефектными элементами изоляции ВЛ-10 кВ.
-
Выявлен диапазон частот от 5 МГц до 60 МГц, генерируемых дефектными элементами ВЛ-10 кВ в зависимости от характера дефектов и места их расположения. Обоснованы и предложены новые методы диагностирования элементов изоляции ВЛ-10 кВ, основанные на использовании в качестве диагностического признака энергетических параметров ВЧ-сигнала в диапазоне частот 27 - 40 МГц.
-
Определены теоретически и подтверждены экспериментально зависимости коэффициентов затухания сигналов от диапазона частот и расположения источника сигнала, что даёт возможность определить координату дефектного элемента.
Обоснованность и достоверность положений и выводов настоящей работы подтверждается коррелируемостью экспериментальных и теоретических результатов, полученных с помощью разработанных программных средств и по результатам диагностирования на действующих электроустановках с использованием аттестованных измерительных приборов, испытательных комплексов МарГУ, разработанных совместно с фирмой «РадиоТест».
Основные положения, выносимые на защиту:
- экспериментальные данные параметров ВЧ-излучения для диагностирования эле
ментов внешней изоляции ВЛ-10 кВ и метод регистрации;
обоснование возникновения автоколебательного процесса при частичных разрядах в изоляционных материалах;
предложенные критерии для определения зоны дефекта в сетях ВЛ-10 кВ.
Практическая значимость и реализация результатов работы: 1. Создана теоретическая база для реализации системы обеспечения работоспособности ВЛ-10 кВ, позволяющая оперативно прогнозировать и предотвращать отказы в системе электроснабжения АПК, связанные с изоляционными элементами этих линий.
-
Проанализирован экспериментальный материал параметров ВЧ-сигналов, излучаемых дефектными изоляционными элементами при моделировании различных видов дефектов. Использование созданного средства диагностирования позволяет выявлять дефект на начальной стадии развития.
-
Разработан метод определения зоны появления возможных дефектов в ВЛ-10 кВ, что сокращает время поиска изоляционных элементов ВЛ, аппаратов и оборудования, находящихся в предпробойном состоянии, и позволяет осуществлять текущий ремонт в распределительных сетях до возникновения аварийной ситуации по фактическому состоянию изоляции.
-
Разработаны средства диагностирования внешней изоляции ВЛ-10 кВ, методическое и программное обеспечение для внедрения результатов исследования в опытно-промышленную эксплуатацию и учебный процесс по специальности 140211.65— «Электроснабжение» и для подготовки аспирантов по специальности» 05.20.02 -«Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве».
-
Внедрена на электросетевых предприятиях Республики Марий Эл информационно-измерительная система диагностирования внешней изоляции ВЛ-10 кВ, которая позволяет по результатам оценки параметров ВЧ-излучения производить плановые проверки изоляционных конструкций и определять зону расположения дефектных элементов. При этом обеспечивается работоспособность ВЛ-10 кВ и, следовательно, повышается надежность электроснабжения объектов АПК.
Практическая ценность полученных результатов подтверждается их использованием при решении ряда задач, выполненных при непосредственном участии автора: результаты хоздоговорной НИР «Методы определения видов дефектов в изоляции высокого напряжения регистрацией высокочастотного излучения» (per. № 01.02.0300690 ИК 02.2003200300127) внедрены на электросетевых предприятиях Республики Марий Эл (использование информационно-измерительной системы для диагностирования внешней изоляции ВЛ-10 кВ).
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на итоговых научно - практических конференциях ГОУ ВПО «Марийский государственный университет» (г. Йошкар-Ола в 2000-20 Юг.); в Международном межвузовском школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики» (Ивано-Франковск, Йошкар-Ола, 2000-2009г.); в Международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике (Казань, 2001г.); в IV и V Московском Международном Салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2004-2005г.); в IV Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов "Российским инновациям - российский капитал" (Саранск, 2009г.); в XLIX Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному комплексу» (Челябинск, 2010г.); в VI Международной научной конференции "Тинчуринские чтения" (Казань, 2011г.).
Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 10 печатных работах, в том числе 4 из них в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и 5 приложений. Изложена на 233 страницах машинописного текста, включает 75 рисунков, 21 таблицу и приложения на 50 страницах, список литературы включает 120 наименований, из которых 12 на иностранных языках.
