Для повышения достоверности диагностирования, и в частности для вычисления пространственных координат дефектных изоляторов предлагается метод диагностирования, построенный на интегрировании визуальных, акустических и электромагнитных подходов. Использована базовая концепция из смежной области — электрофизики[33, 35 — 37], которая впервые предлагается для решения проблемы дистанционного диагностирования изоляторов воздушны ЛЭП. 7.1 Развитие акустического метода Хорошо зарекомендовавший себя и описанный выше метод акустической эмиссии предлагается дополнить решением триангуляционной задачи, широко применяющейся для вычисления координат точечного объекта в трехмерном пространстве. Принцип измерения пояснён на рисунке 11.
Рис. 11. Принцип триангуляции. В этой задаче будем рассматривать дефектный изолятор как источник звука, создаваемого токами утечки, возбуждающими колебания в повреждённой изоляции[33]. Данный факт показан выше и описан в литературе [25 — 28]. В таком случае предлагается применить три разнесенных в пространстве акустических приемника — микрофона П1, П2, П3, которые принимают одновременно сигнал от точечного источника звука, находящегося на теле поврежденного изолятора.
Для каждого единичного частичного пробоя возбужденная акустическая волна приходит к трем микрофонам с задержками Δt1, Δt2 иΔt3 соответственно. Тогда, для измеренных задержек можно составить достаточную систему нелинейных уравнений вида, где: S1 — S3 — расстояния от источника звука до соответствующего микрофона, v — скорость звука в воздухе, одинаковая для всех микрофонов. Следует заметить, что для трехмерного пространства можно записать:
где: xd, yd, zd — линейные координаты источника звука; xr, yr, zr — линейные координаты датчика — микрофона. Таким образом, решая систему уравнений (1) относительно координат источника звука, находим положение дефектного изолятора в группе однотипных нормальных, которые звук не генерируют. Для повышения точности вычисления координат может ныть применен автокорреляционный метод, когда для каждой пары сигналов 1−2, 2−3 и 1−3 вычисляется автокорреляционная функция, максимум которой соответствуют времени задержки между сигналами [34]. Микрофоны могут быть установлены как на поверхности земли, так и на вертикальных шестах вблизи или вокруг исследуемой группы изоляторов с пространственным разнесением не менее характерного размера группы, то есть на уровне единиц метров. 7.
2. Электромагнитный метод диагностики дефектных изоляторов Суть метода изложена в работах [35 — 38]. Вектор индукции магнитного поля, создаваемый каждым отдельным проводом ЛЭП в плоскопараллельной задаче для произвольной точки наблюдения в окружающем пространстве ЛЭП, однозначно определён законом Био-Савара [39]: (2−61)где: Bm — мгновенное значение величины вектора индукции магнитного поля, создаваемого в точке наблюдения одним из i=3 проводов ЛЭП; Ri — кратчайшее расстояние от точки наблюдения до провода; Ii0 — амплитуда линейного тока, текущего через i-ый проод ЛЭП; I — начальная фаза тока, текущего через i-ый провод ЛЭП; x0, y0 — линейные координаты точки наблюдения; xi, yi — линейные координаты i-го провода ЛЭП. Суммарное поле в произвольной точке есть векторная сумма вкладов трех проводов с с учетом первого закона Кирхгофа для проводов ЛЭП. Силовые линии магнитного поля, создаваемого токами в проводах в окружающем пространстве, построены на рисунке 12. Рис. 12. Силовые линии магнитного поля вокруг ЛЭП с горизонтальным расположением проводов.
Кроме магнитного поля вокруг ЛЭП существует электрическое поле промышленной частоты, создаваемое переменными потенциалами проводов относительно земной поверхности, которая в данной задаче принята проводящей. Расчет потенциала P электростатического поля в точке наблюдения с координатами x0, y0 от системы из 3-х заряженных проводов длиной 1000 метров с учетом проводящей земной поверхности проводился по формуле [39]: (2−63)где: Q1, Q2, Q3 — текущие значения погонного заряда каждого провода, определяемые по формулам: Q1=C11U1 + C12U2 + C13U3, Q2=C22U2 + C12U1 + C23U3, Q3=C33U3 + C13U1 + C23U2U1, U2, U3 — мгновенные значения синусоидальных фазных напряжений, вычисляемых с учетом заданных амплитуд и фазовых сдвигов; C11, C22, C33 — собственные погонные емкости каждого физического провода по отношению к земной поверхности; C12, C13, C23 — взаимные емкости проводов; R1, R2, R3 — расстояния от точки наблюдения до каждого из проводов; R4, R5, R6 — расстояния от точки наблюдения до каждого из зеркальных проводов. На рисунке 13 приведены расчетные силовые линии электрического поля вокруг трехфазной воздушной ЛЭП, находящейся над проводящей поверхностью [36, 37]. Рис. 13.
Расчетные силовые линии напряжённости электрического поля ЛЭП на дальности до 1000 метров. Математическое моделирование показало высокую стабильность полученного распределения, которое практически не зависит от режима работы ЛЭП, разбаланса фаз. 7.
3. Измерительное оборудование В состав измерительной системы входит интегральный электромагнитный датчик, измеряющий магнитное, электрическое и радиочастотное поля, создаваемые элементами ЛЭП[35]. Внешний вид датчика показан на рисунке 14.Рис. 14. Магнитный приемник, датчик электрического поля, ферритовые антенны для радиочастотного поля линий электропередачи. Напряженность электрического поля измеряется емкостными датчиками, образованными тремя парами электропроводящих пластин, образованных на гранях кубического корпуса прибора. Видно, что на этих же гранях установлены три ортогональных индукционный катушки плоской формы, предназначенные для векторных измерений индукции магнитного поля ЛЭП. Ферритовые антенны, установленные в ортогональных гранях кубического корпуса, предназначены для обнаружения радиочастотного поля, создаваемого коронным разрядом ЛЭП, в частности в зоне дефектных изоляторов. Сигналы со всех девяти датчиков, показанных на рисунке 14, поступают на компьютеризованную измерительную систему, оснащенную развитым программно — математически обеспечением цифровой обработки сигналов. 7.
4. Результаты измерений Исследования подтвердили существование внешнего магнитного поля ЛЭП с параметрами, предсказанными в ходе теоретического рассмотрения в работах[36 — 38]. На рисунке 15приведены экспериментально полученные в ходе реальных измерений графики, характеризующие изменение компонент магнитного поля ЛЭП в случае перпендикулярного приближения к ЛЭП с горизонтальным расположением проводов. По вертикальным осям отложены амплитуды трёх ортогональных компонент индукции на частоте 50 Гц в размерности [Тесла10−9]в логарифмическом масштабе из-за большого динамического диапазона изменения амплитуд измеряемых сигналов, сверху вниз: Bx — по направлению движения, By — поперек направления движения, Bz — вертикальная компонента. По горизонтальной оси — номер измерения N. Значение N = 559 соответствует прохождению автомобиля под проводами ЛЭП. Здесь между соседними измерениями автомобиль проходит L = 35 метров.
Показано, что дальность обнаружения магнитного поля данной ЛЭП, при разрешающей способности измерений не хуже B = 10−8 Тл, находится на уровне L >500 метров. Рис. 15. Пример перпендикулярного приближения автомобиля к ЛЭП. Существенным является следующее. Обнаруженное и измеренное магнитное поле вокруг ЛЭП создается исключительно за чет пространственного разнесения проводов. Исходя из первого закона Кирхгофа ясно, что полны ток трехфазной ЛЭП равен нулю в любой момент времени и внешнего поля такая система токов создавать не может. Оценки показывают, что эквивалентный ток в однопроводном приближении, создающий такие же поля, составляет всего несколько ампер, тогда как токи утечки по опорам, а тем более ток короткого замыкания- составляют сотни ампер.
Это значит, что обнаружить компоненты поля, ответственные за вертикальную компоненту тока утечки по опорам будет гораздо проще, чем компоненты транспортного тока в проводах. Таким образом, электромагнитная диагностика дефектных изоляторов будет сводиться лишь к обнаружению продольной компоненты магнитного поля на любом разумном расстоянии от ЛЭП. Продольная компонента будет много больше, чем поперечные от транспортного тока, и обнаружить её не составит проблемы. Факт обнаружения продольной компоненты магнитного поля вблизи ЛЭП однозначно означает наличие вертикального тока утечки по опоре «в землю». На рисунке 16 приведена экспериментально полученная зависимость параметров электрического поля на промышленной частоте ЛЭП, измеренных одновременно с магнитным полем, показанным на рисунке 15 выше. Нижний график отражает зависимость напряженности электрического поля ЛЭП Еx в логарифмическом масштабе вдоль траектории движения. Два верхних графика соответствуют пространственным производным dE/dy, dE/dz соответственно в поперечном и вертикальном направлениях. Видно, что напряженность электрического поля растет раньше, чем скорости её изменения, являющиеся разностными величинами.
Показано, что дальность обнаружения ЛЭП по напряженности электрического поля (L~600 метров) аналогична дальности, полученной из магнитных измерений. 1 Рис. 16. Электрическое поле ЛЭП. Локальная неоднородность электрического поля в зоне сотен метров от проводов ЛЭП также является критерием нарушения однородности транспортного тока из-за дефекта к системе изоляторов. Накоплена база данных более чем по 70-ти ЛЭП на описанном испытательном участке, включая ЛЭП без магнитного поля, позиционирование под землей, обнаружение ЛЭП по излучению коронного разряда.
Итак, суть предлагаемого метода диагностики изоляторов ЛЭП состоит в исследовании отклонений измеряемых полей от представленных здесь моделей. Именно отклонения от моделей служат критерием нештатного режима работы ЛЭП и в частности наличия пробоев изоляторов. Например, очевидно, что в нормально работающей ЛЭП не должно быть вертикальных токов. Кроме того, локальное увеличение излучения ЛЭП в радиодиапазоне (ферритовые антенны, описанные выше) служит надежным критерием. Далее, к месту с выявленной аномалией необходимо установить разнесенные акустические датчики, и проблема локализации дефектного изолятора будет успешно решена.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что полимерные изоляторы представляют собой новый прогрессирующий вид изолирующих элементов современных энергосетей. Конструкция полимерных изоляторов непрерывно эволюционирует, насчитывая уже три поколения изделий. Рост применения полимеров в энергетике сдерживается их недостатками на текущем этапе, как хрупкий излом, образование объемного заряда и дендритообразование. В работе описаны основные методы испытаний и диагностики полимерных изоляторов, направленных на повышение их надежности. Показано, что некоторые виды испытаний требуют дальнейшего развития. Для выявления скрытых дефектов, а особенно дистанционного, в изоляторах требуются новые научные разработки. Актуально комбинированное диагностирование изоляторов, также требующее дополнительных новых методов.
Предложено применить электрофизическую концепцию для решения задачи удаленного диагностирования изоляторов на воздушных ЛЭП. Целесообразно разместить описанную здесь аппаратуру на вертолете, или, по крайней мере, на автомобиле повышенной проходимости, как описано в работе [35], откуда заимствован принцип, примененный в данной работе для новой задачи диагностирования дефектных изоляторов с функцией их пространственного позиционирования. Сделанное предложение находится на уровне результатов НИР, по которым можно разворачивать опытно — конструкторскую разработку, направленную на создание экспериментального образца подвижного детектора дефектных изоляторов, располагаемого на подвижной платформе. Описанный в работе концептуальный подход обладает научной новизной мирового уровня и может быть запатентован как новый способ обнаружения дефектных изоляторов. В результате внедрения предложенного решения беусловно возрастет качество [40] работы электрооборудования потребителей за счет повышения надежности функционирования ЛЭП. В настоящее время достоверное выявление дефектов на полимерных изоляторах является актуальной и нерешенной до конца задачей электроэнергетики, диагностической науки, электрофизики и других смежных научных областей. На решение данной проблемы должны быть направлены дополнительные людские и финансовые ресурсы в самое ближайшее время.
ЛИТЕРАТУРА
:
Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций: учебное пособие/ Хальямаа А. И. и др. — Екатеринбург. Изд-во Урал, 2015.
Уайтхед С. Пробой твердых диэлектриков/ Пер. под ред. В. Т. Ренне. — М. — Л.: Госэнероиздат, 1957.
Ильиченко Н.С., Кириленко В. М. Полимерные диэлектрики. — Киев; Техника, 1977.
Электрические изоляторы; техника высоких напряжений: учебное пособие/ Родионов Н. Н, Сызрань. Самарский ГТУ, 2014.
Электротехнический справочник/ п/р Герасимова и др. — М.: Издательство МЭИ, 2003.
Дроботенко А.Ф., Свешников В. В., Кротенко Е. А. Тепловыделения в подвесном фарфоровом тарельчатом изоляторе// Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Материалы конференции — Красноярск, Гротеск, 2005.
Гутман И. Ю. Соломник Е.А. Усовершенствование конструкции и опыт эксплуатации полимерных изоляторов, 1999ГОСТ 28 856−90 Изоляторы линейные стержневые полимерные. Технические требования. Методы испытаний. Правила устройства и эксплуатации электроустновок потребителей/ Главгосэнергонадзор РФ — СПб, Деан, 2000.
Куценко С.М., Климов Н. И., Муратов В. И. Дефекты в изоляторах из фарфора и поликарбоната/ Иркутский ГУ Путей сообщения, 2006.
Гайворонский А. С. Повреждение полимерных изоляторов и их диагностика в эксплуатации/ - Сиб.
НИИ, 2010 ;
http://изоляторыполимерные.
рф/o-produktsii/ispytaniya/povrezhdeniya-polimernykh-izolyatorov-i-ikh-diagnostika-v-ekspluatatsii/Ушаков В. Я и др. Закономерности развития разрушения полимеров — ФТТ, 1989.
Соловьев Э. П. Выбор наружной полимерной изоляции на основе опыта длительной эксплуатации/ Энергетика и промышленность России. — 2005РД-34.
20.801−93 Инструкция по расследованию и учету технологических нарушений в работе электростанций, сетей и энергосистем. 1993ГОСТ 28 856−90 Изоляторы линейные подвесные стержневые полимерные. Общие технические условия. Нормы и методы лабораторных испытаний подвесных стержневых полимерных изоляторов 6 — 750 кВ. 1994ГОСТ Р 51 814.
2−2001.
Система качества в автомобилестроении. Методы аналиа видов и последствий потенциальных дефектов. М.: Из-во стандартов. 2001.
Несенюк Т. А. Устройство для определения дефектов в изоляторах. Патент РФ № 2 503 076, 2012.
Насенюк Т. А Изменение конструктивного исполнения изолирующих конструкций для диагностики неисправной изоляции// Транспорт Урала. 2012СТО 56 947 007−29.
240.
003−2008.
Методические указания по дистанционному оптическому контролю изоляции воздушных линий электропередачи и распределительных устройств переменного тока напряжением35−1150 кВ, 2005.
Кочуров Е.Л. О технических характеристиках тепловизоров и о проблемах интерпретации результатов тепловизионной съемки. Отдел диагностики ООО «Удмуртские коммунальные системы», 2010.
Термоиндикаторы ИНТЕМ -.
http://www.intempena.ruНасенюк Т. А. Совершенствование диагностики изоляторов воздушных линий электропередачи в сетях нетяговых железнодорожных потребителей 6−10 кВ встроенными средствами диагностики. Автореферат диссертации. Екатеринбург, 2014.
Симановский И. В. Индикатор пробоя полимерного изолятора и полимерный изолятор с индикатором пробоя. Патент РФ 2 479 057. P orzel E., Muhr M.
T echnical diagnostic, non-destructive state — estimation instead of damaging voltage test. P roc. 10th Int. C.
onf on HV Eng. M ontreal. C anada. 1997. Auckland D.W. etc.
U ltrasound — a diagnostic tool for NDT of insulation degradation. P roc. 6th Int. C onf.
on Dielectrical Materials, Manchester, 1992Philips A.J., Melaia R. U ltrasonic emission from nonceramic insulation with defects. P roc. 11th Int.
S ymp. O n HV Eng. L.
ondon. UK. 1999.
Аронштам Ю.А., Демин А. Н. Методика акустико — эмиссионного контроля фарфоровых изоляторов разъединителей 110−220 кВ. Труды международной конференции «Изоляция 99, СПб, 1999ГОСТ 23 829−85 Контроль неразрушающий акустический. Анализ работы хозяйства электрификации и электроснабжения в 2004 г. — 2013 — М.: ОАО «РЖД"Багдасарян С. Е. Технология ПАВ в радиочастотной идентификации'' ChipNews 2005 No 3. Катц Д. Применение процессоров Blackfin в интеллектуальных RFID — считывателях// Системы идентификации. 2007, No 4. Желамский М. В. Диагностика сверхпроводниковых магнитных систем акустическими и электромагнитными методами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Л., 1989.
Айфичер Э. Цифровая обработка сигналов. М.: Вильямс, 2004.
Желамский М. В. Электромагнитное позиционирование подвижных объектов. — M.: Физматлиз. 2013 г. 309 стр. Желамский M. Позиционирование подвижных объектов в локальном магнитном поле.
Теорияипрактика. &# 160; - Саарбрюкен (Saarbrucken): PalmariumAcademicPublishing, 2015. -.
340 с. ISBN 978−3-659−60 217−7.Желамский М. В. Позиционирование линейных источников электромагнитных полей// Датчики и системы № 4, 2013 г. Желамский М. В и др. Способ определения кратчайшего расстояния и направления на линию электропередач с борта летательного аппарата.
Патент РФ № 2 316 790. 2006.
Калантаров П.Л., Нейман Л. Р. Теоретические основы электротехники. — Госэнергоиздат, 1951.
Средства и методы управления качеством: учебное пособие/ Шушерин В. И. и др. Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ — УПИ, 2006.
