ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ДЛЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ НА ПРИМЕРЕ МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫХ СЕТЕЙ И ОБЪЕКТОВ МЕТАЛЛУРГИИ

В настоящее время большое внимание уделяется надежности систем электроснабжения объектов промышленных предприятий и городских сетей. В первую очередь это связано с обеспечением крупных потребителей бесперебойным питанием и выполнением сложных технологических операций с массовым выпуском готовой продукции, и качеством электроэнергии. Снижение надежности возникает вследствие повреждений электропитания.

Одним из видов, часто встречающихся согласно статистическим данным, повреждений электропитания является разрушение изоляторов на высоковольтных линиях электропередач.

Как показывает обработка данных для современных систем электроснабжения предприятий черной металлургии характерны следующие проблемы: механические повреждения и перекрытия изоляторов, частичные разряды, наличие производственных дефектов, изменение структуры материала в процессе эксплуатации. Как показывает практика, универсального метода по обнаружению повреждений не существует. Самым распространенным является визуальный осмотр, но с его помощью начало разрушения изоляторов определить невозможно. С развитием современных технологий возникла возможность применения телевизионного и оптического контроля в дневное время суток. Благодаря этим методам стало доступно определение возникновения или увеличение интенсивности короны и поверхностных частичных разрядов, что позволяет обнаружить и заменить дефектный изолятор до наступления пробоя. Одним из основных преимуществ этих методов является проверка изолятора под напряжением.

Для оптического контроля используют дефектоскопы. Особенностью применения которых (ночного видения — «Филин», «Коршун», CoronaScope, дневного -DayCor II™) является регулирование чувствительности с учетом помехоустойчивости и пространственной разрешающей способности. По длительности оптического излучения определяется величина амплитуды тока утечки:

где: I-амплитудное значение тока утечки (при I> 2 мА),

        — измеренная длительность излучения Приоритетного Числа Риска (0,1–9,9 мс).

Изображения записываются, оцифровываются, определяются интенсивности излучения ПЧР в двух участках спектра количественно. После осуществляется выявление дефектов изоляторов и мест их перекрытия.

Тепловизор обнаруживает нагретую током конструкцию, но с его применением возникает множество трудностей, так как нужно сопоставлять температуры всех элементов конструкции, кроме этого тепловизор не учитывает физических явлений, которые могут повлиять на инфракрасное излучение.

Для проведения осмотра изоляции этими косвенными методами (оптически-электронным и тепловизионным) сначала определяют все параметры с учетом времени суток, влажности и климата.

Основные методы диагностики контроля изоляции классифицируются следующим образом:

Тепловизорный(инфракрасный). С помощью инфракрасного аппарата возможно косвенным способом выявлять неисправности. Но как было отмечено ранее, трудности диагностики тепловизором появляются, начиная с сопоставления температур всех элементов электроустановок, продолжаются при рассмотрении исследуемых объектов с разных углов на достаточно близком расстоянии, при этом тепловизор не учитывает многие физические эффекты, которые появляются при излучении, поглощении и отражении инфракрасного (теплового) излучения, а программное обеспечение тепловизора не учитывает многие факторы из-за отсутствия соответствующих установочных параметров, значения которых могли бы задаваться до съемки. Данный метод контроля может применяться только при поданном напряжении энергопередающего устройства, в случае отключения аварийного участка релейной защитой подстанции, поиск неисправной изоляции данными приборами окажется невозможным.

Оптический(ультрафиолетовый). Благодаря использованию дефектоскопов (Коршун, Филин) возможно выявление дефектов в изоляторах без их разрушения. В основе этого метода диагностики лежит определение характеристик коронных разрядов и поверхностно-частичных разрядов, а также их зависимостей от величины напряжения и степени загрязнения изоляции. При помощи электронно-оптического дефектоскопа возможно дистанционное обследование изоляции и оборудования. Оптический контроль, при помощи данного прибора, позволяет с минимальными затратами времени, выявить и определить:

-"нулевые" изоляторы в подвесной фарфоровой изоляции;

-источники короны и поверхностных частичных разрядов;

- микротрещины в опорно-стержневой изоляции;

-оценить поверхностную проводимость на изоляции.

Оптические изображения изоляторов, поверхностно-частичных и коронных разрядов, проходя через светофильтр с полосой пропускания в коротковолновой части оптического спектра, формируются входным объективом на фотокатоде электронно-оптического усилителя света с микроканальной пластиной. Оптические сигналы усиливаются более чем в  раз. Их можно наблюдать на экране через окуляр или записывать каким-либо из подходящих устройств.

 Недостатком данного метода, как и у инфракрасного, является необходимость определения всех параметров с учетом времени суток, влажности и принадлежности к климатическому поясу.

Звуковые и низкочастотные ультразвуковые методы. Данные методы позволяют выявить крупные дефекты изоляторов, сопоставимые   с поперечным сечением изолятора. Но если дефекты будут меньше поперечного сечения изолятора, то выявить их не представляется возможным. Из-за этого недостатка метод практически не получил распространения для контроля изоляторов.

Ультразвуковая импульсная дефекто- и структурометрия. Используя этот метод можно контролировать изоляторы, смонтированные в аппараты на любые классы напряжений, выявлять макроскопические дефекты производственного характера, но не предполагает обнаружения около поверхностных макроскопических дефектов, не проявляет усталостных дефектов в качественно изготовленных изоляторах. Несмотря на эти недостатки метод применим для контроля фарфоровых изоляторов на напряжении 35,110,220,330,500,750 кВ. Аппаратурное обеспечение базируется на серийном дефектоскопе УДС-2ВФ-ЦИВОМ-ЭП. Специфической особенностью эксплуатационного акустического неразрушающего контроля изоляторов является также необходимость проведения контроля, как правило, одновременно двумя операторами, независимо от веса и габаритов используемого прибора.                                                                

 Вибродиагностический метод. Осуществляется контроль вибрации, измерение ее спектров и измерения сигнала. Но из-за недостатка: не учитывает специфики дефектов и характера повреждаемости изоляторов, метод недостаточно эффективен.

Сквозное прозвучивание. Используя приборы ПАК-2М и МЕТАКОН фиксируется изменение амплитудного значения, хорошо показывая дефекты. Этим методом возможно обнаружение лишь внешних и крупных дефектов, внутренние развивающиеся трещины в теле изолятора обнаружить не представляется возможным. Тем не менее, метод имеет распространение.

Контактный метод свободных колебаний. Данный метод возможно применять под напряжением. Суть метода заключается в том, что свободные колебания в контролируемом изделии возбуждают ударом изолированной штангой или пулей из пневматического ружья. Данным методом могут быть выявлены только достаточно крупные дефекты, малозаметные с земли. Применяется для контроля абразивных кругов. Использование метода приводит к разрушению изолятора, при наличии дефектов.

Применение RFID-технологий в качестве сигнального устройства.

Радиочастотная идентификация позволяет определять на расстоянии наличие объектов, требующих учета, и их местоположение, может содержать определенные параметры и сохранять информацию об истории использования закодированных предметов. Индивидуальный контроль изолятора током пробоя предлагается осуществлять за счет крепления пассивной закодированной RFID-метки к крепежному узлу изолятора. Такие метки RFID-системы функционируют без источников питания, получая энергию из сигнала сканера, используя технологии индуктивной связи или электромагнитного захвата. Особенно актуально применение данного способа в РУ-3,3 кВ, когда пробой изолятора приводит к отключению всего распределительного устройства тяговой подстанции постоянного тока, что может вызвать нарушение режима работы электроснабжения тяговых потребителей. На территории тяговых и трансформаторных подстанций можно использовать переносной RFID-считыватель в здании, где находятся закрытые распределительные устройства (ЗРУ)напряжением от 0.4, 6, 10, 20, 35 кВ. Для открытых распределительных устройств напряжением свыше 25 кВ контроль можно осуществлять при помощи как переносных, так и стационарных считывателей, контролирующих диэлектрические свойства изоляторов подстанции.

Учитывая достоинства и недостатки изложенных методов, более практичными на данный момент являются тепловизорный и оптический методы. Благодаря их особенностям возможна проверка под напряжением и выявление дефектов без повреждения изоляторов.

В качестве объекта исследования были выбраны электрические сети города Магнитогорска и промышленных предприятий. По полученным статистическим данным повреждений изоляторов в период с 2007-2016г. для цеха сетей и подстанций (ЦЭСиП) рис.1 и ОАО «МРСК УРАЛ» (Межрегиональная распределительная сетевая компания Урала) были построены круговые диаграммы рис.2.

Рисунок 1. Статистика повреждений изоляторов сетей ЦЭСиП

Рисунок 2. Статистика повреждений сетей ОАО «МРСК Урал»

Проводя анализ по статистике отключений было выявлено, что в сетях ОАО «МРСК УРАЛ» больше всего отказов пришлось на 2014 год и составило 32%, а в сетях ЦЭСиП на 2015 год и составило 25%.

Для повышения надежности изоляторов следует учитывать факторы, которые приводят к разрушению изоляторов. Из них наиболее выраженными являются: механические повреждения, наброс птицами, перекрытие отдельных изоляторов из-за появления частичных разрядов, дефекты, возникающие при непосредственной установке на месте. Ниже приведены круговые диаграммы наиболее распространенных причин повреждения изоляторов ЦЭСиП рис 3.

Рисунок 3. Статистика причин повреждений изоляторов сетей ЦЭСиП

Рисунок 4. Статистика причин повреждений изоляторов сетей ОАО «МРСК Урал»

Для сетей ОАО «МРСК Урал» больше всего приходится разрушение из-за появлений частичных разрядов. Частичные разряды- это искровой разряд очень маленькой мощности, образующийся внутри изоляции, или на ее поверхности на разных классах напряжений. Поток воды (и ржавчины) с траверсы увлажняет первые в гирлянде изоляторы, сокращая эффективную длину оставшейся сухой части изолирующей подвески. Оставшаяся часть перекрывается по воздуху, насыщенному взвесью ионизированных водяных капель. Со временем, повторяющиеся периодически частичные разряды, разрушает изоляцию, приводя в конечном итоге к ее пробою. Обычно разрушение изоляции под действием частичных разрядов происходит в течение многих месяцев, и даже лет. Чаще всего частичные разряды появляются на стеклянных изоляторах. Исследование частотных разрядов наиболее подробно представлено в работах [19]. Как видно из рис 5 механические повреждения достигают 41%, а на частичные разряды приходится 34%.

Для сетей ЦЭСиП больше всего приходится разрушение из-за механических повреждений. Причиной возникновения механических повреждений чаще всего является человеческий фактор.

Зачастую случается перекрытие изоляторов во время грозы в следствии потери электрической прочности одного или нескольких элементов в гирлянде, при повышенных механических усилиях из-за гололеда и пляски проводов. Изоляторы загрязняются при плохих погодных условиях. При возникновении перекрытий может происходить повреждение и разрушение изоляторов.

На вероятность появления повреждений так же влияет уровень напряжений в электрических сетях. На рис.6 и рис.7 представлена статистика повреждений изоляторов по уровням напряжений в соответствии с объектами.

Рисунок 5. Статистика повреждений изоляторов сетях ОАО «МРСК Урал» по уровню напряжений

Рисунок 6. Статистика повреждений изоляторов сетях ЦЭСиП по уровню напряжений

Анализируя данную статистику видно, что чаще всего в сетях ЦЭСиП повреждения изоляторов происходят на напряжении 35 кВ, а в сетях ОАО «МРСК Урал» на напряжении 110 кВ. Ещё одним определяющим фактором повреждений изоляторов по уровням напряжений являются протяженность линий, их количество и сложность разветвления конфигурации электрических сетей. Протяженность линий на напряжении 110 кВ больше, чем на напряжении 35 кВ.

Выполнив анализ повреждений изоляторов согласно круговым диаграммам можно сделать следующие выводы:

1)зависимость от протяженности линий;

2)наличие или отсутствие производственной нагрузки, состав и характер нагрузки диктует условия эксплуатации;

3)загрузка линий электропередач;

4)погодные условия, в которых находятся электрические сети;

5)сложность разветвления конфигурации электрической сети.

Список литературы:

1. Буланова О.В. Влияние высоковольтных двигателей собственных нужд на надежность системы электроснабжения собственных нужд ТЭЦ ОАО «ММК» / Малафеев А.В., Карандаева О.И., Ротанова Ю.Н., Буланова О.В. // Электротехнические системы и комплексы. – 2009. – № 17. – С. 96-104.
2.  Буланова О.В. Определение асинхронной мощности синхронных генераторов в расчетах электромеханических переходных процессов при несимметричных режимах  / Буланова, О.В., Малафеев А.В., Николаев Н.А., Ротанова Ю.Н., Панова, Е.А. // Электрика. – 2010. – № 8. – С. 24-26.
3. Исследование влияния ввода в работу перспективной воздушной линии на режимы промышленного энергетического узла. / Кондрашова Ю.Н., Газизова О.В., Гладышева М.М., Галлиулин И.М. // Международный научно-исследовательский журнал -2014.- № 4-2 (23).- С. 35-37.
4. Малафеев А.В. Оценка эффективности релейной защиты в сетях 110-220 кВ сложных систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями. Игуменщев В.А., Заславец Б.И., Николаев Н.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Кондрашова Ю.Н., Панова Е.А.-Магнитогорск, 2011. – 141 с.
5. Малафеев А.В. Исследование сходимости метода расчета установившихся режимов систем электроснабжения при работе раздельно с энергосистемой/ О.В. Буланова, В.А. Игуменщев, А.В. Малафеев, Ю.Н. Ротанова // Электротехнические системы и комплексы. – 2005. – № 10. – С. 129-134.
6. Ротанова Ю.Н. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями при отделении от энергосистемы в результате короткого замыкания  / А.В. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н. Ротанова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. – 2008. – № 17 (117). – С. 72-74. 
7. Ротанова Ю.Н. Комплексная оценка эффективности токовых и дистанционных защит в сетях 110-220 кВ в условиях магнитогорского энергетического узла  / Б.И. Заславец, В.А. Игуменщев, Н.А. Николаев, А.В. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н. Ротанова, Е.А. Панова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2011. – № 15 – С. 14-21. 
8. Ротанова Ю.Н. Методика прогнозирования остаточного ресурса электрооборудования при эксплуатации / К.Э. Одинцов, Ю.Н. Ротанова, О.И. Карандаева, С.Е. Мостовой, П.В. Шиляев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки – 2010. – № 3-1  – С. 192-198. 
9. Храмшин В.Р. Анализ интенсивности отказов частотно-регулируемых электроприводов районных тепловых станций при нарушениях электроснабжения / Храмшин В.Р., Одинцов К.Э., Губайдуллин А.Р., Карандаева О.И., Кондрашова Ю.Н. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2014. – Т. 14. № 2. – С. 68-79.
10. Metodology of calculation of the reliability indexes and life time of the electric and mechnical systems. Karandaev A.S., Khramshin V.R., Evdokimov S.A., Kondrashova Yu.N., Karandaeva O.I.В сборнике: Proceedings of 2014 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, MEACS 2014. С. 1-6.
11. Validation of diagnostic monitoring technical state of iron and steel works tranformers. Khramshin V.R., Nikolayev A.A, Evdokimov S.A , Kondrashova Yu.N., Larina T,P. В сборнике: Proceedings of the 2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engeneering Conference,EIConRusNW 2016 .C. 596-600.