Повышение эффективности эксплуатации кабельных линий 6-10 кВ в системах электроснабжения на основе неразрушающей диагностики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор технических наук Лебедев, Геннадий Михайлович

• Лебедев, Геннадий Михайлович
• доктор технических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор технических наук Лебедев, Геннадий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТЦИИ

КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ

1.1. Краткая характеристика кабельных сетей исследуемых предприятий.

1.2. Организация эксплуатации кабельных линий на примере Кемеровской городской электрической сети.

1.2.1. Анализ статистических данных третьего сетевого района г. Кемерово.

1.2.2. Анализ отказов кабельных линий в Кемеровской городской электрической сети.

1.3. Повреждаемость кабельных линий в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».

1.4. Исследование повреждаемости кабельных линий в КО АО «Азот» и на Макеевском металлургическом заводе.

1.4.1. Анализ отказов кабельных линий в КО АО «Азот»

1.4.2. Эксплуатационные закономерности изменения тока утечки и сопротивления изоляции кабельных линий

1.4.3. Исследование и определение периодичности испытаний кабельных линий в КО АО «Азот» и на Макеевском металлургическом заводе.

1.5. Повреждаемость кабельных линий в Новомосковской акционерной компании «Азот».

1.6. Анализ отказов кабельных линий в ОАО «ЗСМК».

1.7. Выводы по главе

Глава 2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ

КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ.

2.1. Дефекты кабельной изоляции и виды ее пробоя.

2.1.1. Краткие сведения о кабельной изоляции.

2.1.2. Классификация дефектов и причин, вызывающих их возникновение в кабельных линиях.

2.1.3. Виды пробоя кабельной изоляции.

2.2. Методы разрушающего контроля.

2.2.1. Методы контроля с отключением кабельных линий

2.2.1.1. Испытание повышенным напряжением промышленной частоты.

2.2.1.2. Испытание силовых кабелей импульсным напряжением.

2.2.1.3. Испытание кабельных линий повышенным напряжением выпрямленного тока.

2.2.1.4. Испытание кабелей повышенным напряжением выпрямленного тока по двухполярной схеме

2.2.1.5. Испытание на постоянно-переменном токе

2.2.2. Испытания без отключения кабельных линий от сети

2.2.2.1. Испытание под рабочим напряжением.

2.2.2.2. Метод замыкания фазы на землю.

2.2.2.3. Метод искусственно созданных перенапряжений.

2.3. Неразрушающие методы контроля.

2.3.1. Измерение сопротивления изоляции.

2.3.2. Измерение коэффициента абсорбции.

2.3.3. Контроль состояния изоляции по значению емкости

2.3.4. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь

2.3.5. Контроль изоляции по интенсивности частичных разрядов.

2.3.6. Тепловизионный метод контроля.

2.3.7. Метод измерения и анализа возвратного напряжения

2.4. Выводы по главе 2.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО

КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ.

3.1. Рефлектометрический метод.

3.1.1. Метод импульсной рефлектометрии.

3.1.2. Метод высокочастотной рефлектометрии.

3.2. Выводы по главе 3.

Глава 4. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРОФИЛАКТИКИ

КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА

ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ.

4.1. Модель профилактики с использованием испытаний повышенным напряжением выпрямленного тока.

4.1.1. Анализ существующих методик по выбору уровня испытательного напряжения.

4.1.2. Определение уровня испытательного напряжения на основе технико-экономических показателей

4.1.3. Анализ существующих методик определения периодичности испытаний.

4.1.4. Определение периодичности испытаний по изменению прогнозирующего параметра.

4.1.4.1. Выбор прогнозирующего параметра.

4.1.5 Модель оптимальной профилактики кабельных линий на основе метода высокочастотной рефлектометрии . 187 4.1.5.1. Определение критического значения емкости локального дефекта изоляции кабеля.

4.3. Модель профилактики кабелей, эксплуатируемых в увлажненной среде с прерывистым циклом работы

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. АНАЛИЗ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КАБЕЛЬНЫХ МУФТ И

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ НАДЕЖНОСТИ.

5.1. Повреждения концевых муфт и методы выравнивания электрического поля на конце кабеля.

5.1.1. Способы регулирования электрического поля в изоляции муфт.

5.2. Анализ кабельных муфт, применяемых в электрических сетях промышленных предприятий и городов.

5.3. Анализ методов расчета электромагнитных полей в кабельных муфтах.

5.3.1. Цели расчета электрических полей.

5.4. Методы натурного моделирования электрических полей

5.4.1. Особенности моделирующих устройств.

5.4.2. Модели на основе проводящей бумаги.

5.4.3. Сеточные модели.

5.4.4. Модели на основе жидких проводящих сред.

5.4.5. Численные методы расчета электрических полей

5.4.5.1. Метод конечных разностей.

5.4.5.2 Вариационные методы.

5.4.5.3. Метод интегральных уравнений.

5.4.5.4. Метод эквивалентных зарядов.

5.4.5.5. Методы конечных элементов.

5.5. Выбор расчетного метода.

5.6. Методы Галеркина.

5.6.1. Конечноэлементная аппроксимация.

5.6.2. Проекционная формулировка конечноэлементных методов.

5.6.2.1. Метод Галёркина с конечными элементами

5.6.4. Применение метода Галёркина с конечными элементами к эллиптическому дифференциальному уравнению в частных производных.

5.7. Определение оптимальных размеров выравнивающего конуса.

5.7.1. Постановка задачи.

5.7.2. Математическая модель электромагнитного поля в концевой муфте.

5.7.2.1. Квазистационарное приближение уравнений электромагнитного поля.

5.7.3. Постановка граничных условий в концевой муфте 275 5.8. Выводы по главе 5.

Глава 6. РАНГОВЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЦЕНОЗОВ «КАБЕЛЬНАЯ СЕТЬ»

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ГОРОДОВ.

6.1. Постановка задачи.

6.2. Ранговый анализ техноценоза кабельная сеть 3-10 кВ ОАО «ЗСМК».

6.3. Прогнозирование отказов кабельных линий 6-10 кВ в Кемеровской городской электрической сети.

6.4. Выводы по главе 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности эксплуатации кабельных линий 6-10 кВ в системах электроснабжения на основе неразрушающей диагностики»

Внедрение современных технологий и совершенствование существующего промышленного производства, рост электропотребления у населения и в сфере услуг, повышение экологических требований ведут к ежегодному росту электропотребления на 2-5 % по регионам Российской Федерации. Это увеличивает протяженность сетей передачи и распределения электрической энергии, и в частности, кабельных линий (КЛ), которым отводится значительная роль в системах электроснабжения промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства: на крупных предприятиях и в крупных городах они стали практически единственным способом передачи и распределения электроэнергии. КЛ относятся к дорогостоящим, ответственным и долговременным элементам систем электроснабжения. Большинство объектов таких отраслей промышленности как химическая, нефтехимическая, металлургическая, потребители многих организаций, служб жилищно-коммунального хозяйства по требованиям к обеспечению электрической энергией относятся к потребителям первой категории. При сохранении потребителей второй категории и уменьшении третьей появились объекты, требующие три независимых ввода (источника питания) при двух и более резервных генерирующих мощностях. Это увеличивает кабельные потоки. Поэтому повышение надежности силовых КЛ - одна из важнейших задач обеспечения надежного электроснабжения потребителей.

Как известно, запас прочности кабелей предлагается по результатам научных исследований, рассчитывается на стадии конструирования и проектирования, а при изготовлении заводом электротехнической промышленности принимает конкретное значение. Этот запас и определяет уровень надежности кабелей в эксплуатационных условиях. Увеличение уровня эксплуатационной надежности можно достигнуть совершенствованием технологии производства (изготовления), применением новых изоляционных материалов, конструкций и оболочек кабелей. Однако создать абсолютно надежное кабельное изделие невозможно технически и не оправданно экономически. Поэтому основной задачей при эксплуатации кабеля является сохранение его запаса прочности, точнее, поддержание уровня надежности, заложенной заводом-изготовителем на рассчитываемый срок.

В реальных условиях эксплуатации на протяженный кабель воздействует множество разрушающих факторов, большинство из которых являются случайными. Эти воздействия ведут к снижению уровня надежности КЛ. Для сохранения нормативного ресурса или для повышения эксплуатационной надежности силовых кабелей до требуемого уровня применяют разнообразные мероприятия. К ним можно отнести: защиту кабелей в траншеях и при открытой прокладке; строительство защитных кабельных сооружений (кабельные туннели и каналы, кабельные эстакады, шахты и др.); повышение квалификации обслуживающего персонала; повышение технической оснащенности служб, занимающихся профилактикой, монтажом и ремонтом электрических сетей.

Однако это не исключает отказа кабелей из-за естественного старения изоляции, наличия в них заводских дефектов, механических и иных ошибочных воздействий. При серийном производстве и массовом применении кабелей имеется вероятность появления в их изоляции дефектов из-за разного рода ошибок, возникающих как в процессе изготовления, транспортировки, монтажа, так и во время эксплуатации, вследствие неучтенных внешних воздействий, изменения уровня поверхностных вод и роста агрессивности грунта, обычные для городов и металлургической промышленности. Поэтому, чтобы существенно снизить вероятность аварийного повреждения изоляции кабеля, используется система контроля их состояния на основе различных профилактических мероприятий.

КЛ - наиболее трудно проверяемые элементы системы электроснабжения на предмет их технического состояния. Несмотря на это, исследование их изоляции в условиях эксплуатации имеет большую практическую значимость и является обязательным.

Возникающие в последнее время аварии в электроэнергетике России и других стран приводят к нарушению электроснабжения промышленных и бытовых потребителей и как следствие к большим экономическим убыткам. Одной из главных причин аварий является моральный и физический износ электрооборудования. В [296] отмечается, что от 60 до 80 % основных фондов в энергетике выработали свой ресурс, и такое положение не только в России, но и во всем мире.

По данным Г.С. Бокова [111] общая протяженность электрических сетей в России 0,4-110 кВ превышает 3 млн. км, а протяженность кабельных сетей напряжением 3-20 кВ составляет 240,1 тыс. км, по которым передается 111,5 ГВА мощности. Аварии в сетях 6-10 кВ составляют около 70 % всех нарушений электроснабжения потребителей. Согласно [123], на сегодня кабельные сети 6-10 кВ состоят приблизительно на 95 % из кабелей с бумажной-пропитанной изоляцией. Существующая система контроля изоляции повышенным напряжением выпрямленного тока малоэффективна и к тому же вредна.

Моральный и физический износ КЛ 6-10 кВ в системах электроснабжения составляет 40-95 % [17; 23; 24; 25; 111; 126; 173; 224; 226; 271; 302 и др.]. Г.С. Боков в [111] отмечает, что «электрические подстанции и линии находятся в состоянии, которое позволит обеспечить надежное электроснабжение потребителей только примерно до 2010 г.». Л. Ковригин более категоричен в оценке состояния КЛ страны [296]: «сейчас наступает момент, когда они все разом могут выйти из строя».

На первый взгляд решение этой проблемы заключается в замене КЛ 6-10 кВ, выработавших свой ресурс, новыми и современными, например, из сшитого полиэтилена, нормативный срок службы которых составляет 50 лет. Об этом пишут многие авторы [15; 28; 80; 126; 148; 226; 237; 253; 302; 349; 350 и др.].

Замена всех КЛ в течение одного года или двух лет потребует большие затраты. По утверждению профессора Л. Ковригина [296] «однозначно, такие расходы страна не выдержит». Следовательно, замену К Л 6-10 кВ необходимо производить постепенно в течение 10-15 лет. Тогда возникает вопрос о надежности существующих КЛ, их ресурсе для дальнейшей работы.

Выходом из этого положения является неразрушающая диагностика, которая позволит классифицировать КЛ по их остаточному ресурсу и создать алгоритм постепенной замены старых кабелей. Следовательно, реально увеличить срок службы KJI сверх нормативных сроков и с большой экономией обеспечить их техническое обслуживание и ремонт. Дискуссия и публикации в литературе подтверждают изложенный подход по решению этой крупной проблемы [15; 18; 78; 84; 149; 150; 194; 206; 232; 234; 296; 312; 375 и др.].

Цель работы - научное обоснование технических, технологических и тех-ноценологических решений по повышению эффективности функционирования кабельных линий 6-10 кВ крупных промышленных предприятий и городов за счет комбинированных средств контроля их изоляции и улучшения менеджмента кабельных сетей.

Задачи исследований;

- определить современный уровень эксплуатации кабельных линий, оценить эффективность системы их профилактического обслуживания, опираясь на полученные статистические и обработанные экспертные данные;

- классифицировать кабельные дефекты, причины отказа KJI, методы контроля изоляции и современные модели профилактики KJI;

- с технико-экономической точки зрения сформулировать требования к методам профилактических испытаний и на их основе оценить эффективность существующих и вновь предлагаемых методов диагностики KJI;

- разработать метод неразрушающей диагностики изоляции КЛ, отвечающий современным рыночным требованиям экономии ресурсов и требованиям надежного электроснабжения;

- разработать оптимальную модель профилактики КЛ, использующую наиболее эффективный метод диагностики и включающую алгоритм стратегии замены кабелей, отработавших остаточный ресурс, на новые кабели;

- создать математическую модель расчета электромагнитного поля в трехмерном пространстве в разделке кабеля для обоснования выбора выравнивающего конуса (ВК) с целью уменьшения максимальной напряженности электрического поля в концевой муфте и разработать методику расчета её оптимальных размеров;

- с учетом замены отработавших остаточный ресурс кабелей на новые, провести ранговый ценологический анализ, охватывающий существующие и прокладываемые кабели, для выделения ответственных, установления очередности замены и отказа от обслуживания определенных групп на длительный период времени;

- разработать и внедрить методику повышения устойчивости техноценоза -«Кабельная сеть» крупного промышленного предприятия и «Кабельная сеть» города (округа) в целом.

Методы исследований. В работе решение поставленных задач осуществлено на основе теоретического, эмпирического и экспериментального методов исследований.

Теоретический метод включает: научное обобщение и анализ теоретических исследований по изучению методов выравнивания электрического поля в кабельной муфте, методов диагностики изоляции КЛ, моделей профилактики, метода построения оптимального техноценоза.

Эмпирический метод включает: выдвижение статистической гипотезы, выбор и описание объектов исследований, обработку результатов исследований методами теории вероятностей, математической статистики, рангового анализа и теории оптимального планирования.

Экспериментальный метод включает: численное моделирование распределения электрического поля в трехмерном пространстве кабельных концевых муфт с помощью конечно-элементных методов расчета напряженности электрического поля и использованием ПК для определения размеров и формы образующей выравнивающего конуса, имитационное моделирование предлагаемого метода диагностики изоляции КЛ, проведение натурных испытаний по результатам исследований.

Объект исследований - системы электроснабжения промышленных предприятий и городов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующих положениях:

- проведено комплексное исследование эффективности существующего профилактического контроля изоляции КЛ в системах электроснабжения промышленных предприятий и городов, охватывающее всё множество проложенных высоковольтных кабелей объекта;

- впервые разработаны классификации кабельных дефектов, внешних воздействий на КЛ и методов контроля изоляции КЛ;

- впервые проведено компьютерное моделирование электрического поля в разделке трехжильного кабеля в трехмерном пространстве при переменном напряжении с учетом влияния полей жил друг на друга;

- предложена геометрия конструкции выравнивающего конуса, отличающаяся от разработанной на кафедре ТОЭ и электрофизики МЭИ (ТУ) совместно с лабораторией кабельной арматуры ОАО «НИИпроектэлектромонтаж» В.И. Бер-маном, В.М. Юркевичем, Е.М. Феськовым тем, что в качестве образующей ВК имеет показательную функцию. Это позволяет в большей степени уменьшить максимальную напряженность в концевой муфте.

- разработана методика расчета оптимальных размеров ВК на основе моделирования электрического поля в трехмерном пространстве;

- впервые сформулированы требования к методам профилактического контроля изоляции КЛ;

- разработан новый неразрушающий метод высокочастотной рефлектомет-рии для диагностики изоляции К Л 6-10 кВ, наиболее полно отвечающий поставленным в работе требованиям;

- разработана оптимальная модель профилактики кабельных линий на основе метода высокочастотной рефлектометрии с информационно-программной реализацией;

- разработана методика определения периодичности испытаний КЛ, работающих в увлажненной среде с прерывистым циклом работы;

- разработана методика повышения устойчивости техноценозов - «Кабельная сеть» промышленного предприятия, «Кабельная сеть» города, имеющих свою специфику.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задачи, обоснованностью принятых допущений; адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам; подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными исследований и испытаний лабораторных и промышленных образцов.

Практическая ценность работы. На основе анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан неразру-шающий метод диагностики изоляции кабельных линий - МВР. На основе метода высокочастотной рефлектометрии разработана оптимальная модель профилактики КЛ. На основе компьютерного моделирования электрического поля в трехмерном пространстве в разделке кабеля разработана методика расчета размеров выравнивающего конуса для концевой кабельной муфты. Построены оптимальные техноценозы - кабельная сеть промышленного предприятия, города. Результаты аналитических и экспериментальных исследований внедрены на промышленных предприятиях, а также включены в лекционные курсы, учебники и методические указания для выполнения лабораторно-практических занятий, курсовых работ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) разработка нового метода неразрушающей диагностики КЛ - метода высокочастотной рефлектометрии;

2) разработка модели профилактики КЛ с применением диагностики методом высокочастотной рефлектометрии и прогнозирования их состояния изоляции. Модель профилактики включает алгоритм постепенной замены КЛ, выработавших свой ресурс, новыми кабелями, с учетом способа их прокладки, определяемого совокупностью воздействий разрушающих факторов, а также позволяет улучшить менеджмент кабельной сети;

3) разработка методики определения оптимальных размеров выравнивающего конуса на основе моделирования электрического поля в трехмерном пространстве разделки кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией с целью повышения надежности концевых муфт;

4) необходимость и эффективность применения техноценологического подхода при исследовании KJI 6-10 кВ систем электроснабжения городов и промышленных предприятий с целью создания устойчивых ценозов и получения долгосрочного прогноза отказов KJ1 в работе.

5) повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий и городов за счет новых технических решений и менеджмента, повышающего эффективность работы электротехнических служб.

Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались: на Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического и электротехнического оборудования (г. Москва, 1980 г.); на юбилейной научной конференции Московского энергетического института (г. Москва, 1980 г.); на заседании энергетического факультета университета технического прогресса ПО «Салаватнефтеоргсинтез» (г. Салават, 1981 г.); на научно-технических семинарах кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) (1980, 1981, 2005-2006 г.г.); на расширенных научно-технических семинарах кафедры «Электротехника и электрооборудование» Кемеровского технологического института пищевой промышленности (1981-2006 г.г.); на международной научно-технической конференции «Электрификация металлургических предприятий Сибири» (г. Новокузнецк, 2004 г.); на семинаре энергетиков металлургической промышленности (г. Москва, 2005 г.); на Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2006 г.); на XI Международной конференции "Ценоз как объект новой научной картины мира" (г. Москва, 2006 г.); на седьмой Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (г. Новочеркасск, 2007 г.). на научно-практической конференции МЭИ (ТУ) «Электрификация: история, настоящее, будущее», посвященная 100-летию со дня рождения основателя кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» - проф. A.A. Федорова (г. Москва, 2007 г.)

Публикации. Результаты исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 50 опубликованных работах, в том числе в трех монографиях и имеют приоритет, подтвержденный двумя патентами.

Объем и структура работы. Диссертационная работа выполнена на 350 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, 3-х приложений, содержит 145 рисунков, 23 таблицы, 389 наименований литературных источников.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Лебедев, Геннадий Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований дано теоретическое обоснование и решение научной проблемы повышения эффективности эксплуатации кабельных линий 6-10 кВ на основе неразрушающей диагностики, имеющей важное социальное и технико-экономическое значение.