Учебное пособие 800352

УДК 621.315.1

А.Е. Комлев, Д.В. Гусаков, Ю.А. Перцев, С.Г. Зеленская

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРИЧИН ОТКАЗОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ В УСЛОВИЯХ РЕЗКО КОНТИНЕНТАЛЬНОГО КЛИМАТА

Рассматриваются основные причины отказа высоковольтных линий передач при резко-контитентальном климате.

Ключевые слова: воздушные линии, нарушения, отказ, уязвимые элементы, причины.

Воздушные линии электропередач имеют значительное влияние на функционирование электроэнергетической системы в целом, по той причине, что на их долю в среднем приходится 30-55 % отказов и отключений. Самая низкая надежность, если рассматривать каждый отдельный элемент электрической системы в сравнении с другими, у линий электропередач, поскольку они имеют большую протяженность (до 2400 километров) и большую часть времени находятся под воздействием различных естественных и техногенных факторов. Высоковольтные воздушные линии электропередач (ВЛЭП)-110 кВ в подавляющем большинстве случаев являются системообразующими (в редких случаях межсистемными) и дислоцированы на разных высотах над уровнем моря.

В качестве основных причин получения физических повреждений воздушными линиями электропередач можно выделить такие проблемы, как дождь, сильный снег, порывистый ветер, перелетные птицы, ошибки обслуживающего персонала, различные повреждения элементов ЛЭП и тому подобные. По результатам проведённых исследований, самый распространённый тип повреждений - замыкание на землю проводов по причине сильного ветра, дождя и тому подобным причинам. Также, замыкания могут возникать вследствие перекрытия или обрыва воздушных линий под воздействием различных естественных нагрузок (ветер, гололёд, снег).

Если классифицировать нарушения ВЛЭП по отдельным элементам, то наиболее уязвимыми элементами являются провод и изоляторы, а арматуры и опоры являются причиной отказа в менее, чем 15% случаев от общей статистики отказов при работе ВЛЭП не более 15 лет. При старении металлических элементов ВЛЭП шансы не выдерживания механических нагрузок повышаются по экспоненте.

11

На (рисунке) приведена круговая диаграмма распределения причин отказов ВЛЭП-110 кВ в процентах от общего числа отказов.

Круговая диаграмма распределения причин технологических нарушений ВЛЭП-110 кВ

Из выше сказанного следует, что причины отказов имеют совокупный характер и в подавляющем большинстве случаев обусловлены:

-влиянием природных факторов; -воздействием деформации проводов под разными нагрузками;

-старением и износом изоляторов и других элементов ВЛЭП, под влиянием постоянно изменениевых условий окружающей среды, а в следствие коррозии и усталости металла.

Воронежский государственный технический университет ВУНЦ ВВС ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарин

12

УДК 621.313.822

А.А. Агапов

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ В СОСТАВЕ БДПТ ДЛЯ РАБОТЫ В КАЧЕСТВЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

Рассматривается проблематика возможности использования редкоземельных магнитов на основе неодима и самария в качестве индукторов бесконтактных электродвигателей постоянного тока для работы в составе БДПТ исполнительных механизмов промышленных манипуляторов экстремальной направленности

Ключевые слова: БДПТ, постоянный магнит, неодим, самарий

Выпускаемые на сегодняшний день бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) нашли применение в различных областях техники от простейших систем обеспечения подачи до прецизионных многокоординатных манипуляторов. При этом очень остро стоит вопрос о применении роботизированных систем в условиях, где человек попросту не может находиться. Колоссальные перепады давления и температур, радиационное воздействие и многое другое предъявляют к исполнительным механизмам целый ряд дополнительных требований для обеспечения стабильной работы конечного изделия.

На данный момент в электротехнике в качестве индукторов электрических машин (ЭМ) постоянного тока широко используются магниты на основе редкоземельным металлов, таких как самарий и неодим. Высокие энергетические показатели в купе с широким диапазоном рабочих температур сделали редкоземельные магниты лидерами по использованию в электротехнических устройствах экстремальной направленности.

Среди наиболее опасных и неконтролируемых факторов, можно выделить структурное разрушение путем дегазации и снижение энергетических параметров в ходе радиационного нагрева.

Формирование магнита и, в частности, его свойств происходит на этапе твердофазного спекания. При этом данный тип структурного выстраивания магнита достаточно хорошо изучен в материаловедении и уже довольно долго применяется на практике, хотя вопрос о структурном разрушении до сих пор остается актуальным. Стоит отметить, что обязательным условием для использования электрической

13

машины в условиях пониженного давления, к примеру, в космосе, является её предварительная дегазация и термовакуумная отработка.

Анализируя двигатели различного исполнения, можно прийти к выводу, что магнит является одной из самых уязвимых частей БДПТ. И, если магниты на основе сплава SmCo не так сильно подвержены пагубному воздействию в условиях агрессивных сред, то магниты на основе неодима использовать в таких условиях без специализированной защиты строго запрещено.

Выбирать покрытие магнитов стоит не только в зависимости от агрессивности среды, но и от того в каком изделии магнит будет использоваться. При применении магнитов в качестве индуктора магнитного поля, установленного на вращающемся валу, в электрических машинах необходимо учесть помимо теплового расширения еще и воздействие центробежных сил, которые в процессе работы машины могут серьезно повлиять на покрытие.

Также довольно распространенным решением является использование в качестве защитной «рубашки» оболочки из металлов невосприимчивых к магнитным полям, таких как различного рода нержавеющие стали или титан. Такое решение хоть и увеличивает немагнитный зазор в машине, однако позволит обеспечить наилучшую защиту магнита от внешних и внутренних механических повреждений.

Вопрос потери магнитных свойств постоянных магнитов также является довольно актуальным. Современные методы моделирования позволяют довольно точно исследовать температурное состояния электрической машины, как одиночного источника тепла, так и элемента более крупной системы. Однако бесконтрольным остается вопрос нагрева машины путем воздействия заряженных частиц. Такого рода воздействие актуально для ЭМ, применяемых в условиях космоса. Исследования показывают, что наиболее опасным видом ионизирующих излучений в части нагрева структуры магнита является нейтронное излучение.[1] Помимо этого, именно нейтроны приводят к разрушению кристаллической структуры магнитного материала. [2]

С целью обеспечения стабильной работы ЭМ проводятся различного рода испытаний направленные на исследования стойкости постоянных магнитов к воздействию излучения космического пространства [3,4]

Исходя из имеющихся в открытом доступе источников, на сегодняшний день подтверждено использование, как самариевых, так и неодимовых магнитов в условиях экстремального воздействия по различимым критериям. Стоит учесть, что в каждом отдельном случае

14

перед использованием электродвигателя в тех или иных условиях проводится целый ряд испытаний имитирующий наиболее опасные сценарии работы и только после успешного их завершения электрическая машина готова к работе в конечном изделии.

Литература

1.Агапов А.А. Радиационная стойкость постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов для работы в условиях космического пространства / А.А.Агапов. – Энергия-XXI век. – Воронеж., 2018 – «№2 (102), – 49-55

2.Щеголев, В. Ю. Радиационная стойкость постоянных магнитов из NdFeB в полях нейтронов высоких энергий / В. Ю. Щеголев. - Дубна

:Объед. ин-т ядер. исслед., 2003 (Издат. отд. Объед. ин-та ядерных исследований). - 5 с. : ил.;

3.Thermal stability and radiation resistance of SM-CO based permanent magnets / J. Liu, P. Vora, P. Dent, [et all.]. – Proceed. Space Nuclear Conf., 2007, Boston, Ma., USA, June 24–28, 2007.

4.The effect of neutron irradiation on SmCo-based magnets and Nd- Fe-B magnets / С.H. Chen, J. Talnag, J. Liu [et all.]. – Proceed. Space Nuclear Conf., 2007, Boston, Ma., USA, June 24–28, 2007.

Воронежский государственный технический университет

15

УДК 621.3

В. А. Носов, С. А. Горемыкин

КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Рассматриваются методы контроля состояния изоляции высоковольтных силовых трансформаторов. Анализируется причины и механизмы старения высоковольтной изоляции. Указывается на необходимость внедрения современных систем диагностического мониторинга состояния силовых трансформаторов

Ключевые слова: силовые трансформаторы, высоковольтная изоляция, трансформаторное масло, старение масла, частичные разряд

Влюбых высоковольтных аппаратах и кабелях, везде, где есть изоляция, с течением времени в ней неизбежно развиваются дефекты. Не выявленные вовремя дефекты изоляции могут привести к серьезным авариям и, как следствие, к неизбежному экономическому ущербу. Для силовых трансформаторов вопросы контроля состояния изоляции наиболее актуальны, поскольку они являются наиболее дорогим оборудованием подстанций [1, 2, 3].

Внастоящее время используется следующие хорошо себя зарекомендовавшие методы диагностики и контроля состояния изоляции высоковольтных трансформаторов:

1) контроль по результатам анализа концентраций растворенных в трансформаторном масле газов (анализируются концентрации шести основных газов: водорода, оксида углерода, этилена, ацетилена, этана и диоксида углерода);

2) контроль токов проводимости и определение тангенсов углов потерь изоляции высоковольтных вводов трансформаторов;

3)контроль концентрации содержания влаги в масле трансформатора;

4)измерение уровня частичных разрядов в высоковольтных вводах и в главной изоляции силового трансформатора.

Какие же процессы приводят к старению изоляции высоковольтных трансформаторов, и, в первую очередь, трансформаторного масла? Вопервых, причиной тому является неизбежное попадание влаги в бак трансформатора. Вода запускает механизмы разрушения молекулярных связей целлюлозы (бумаги, крепированной крафт-бумаги, электрокартона). Во-вторых, трансформаторное масло со временем разлагается с образованием и выделением водорода, оксида углерода, этилена, ацетилена, этана и диоксида углерода, которые растворяются в

16

масле (на анализе их концентрации и основан газохроматографический контроль состояния масла). Разложение масла на эти газы провоцируется искрением, дуговыми разрядами и перегревом изоляции. Соответственно газохроматографический анализ масла позволяет выявить эти дефекты. И, конечно, изоляция, как твердая, так и, собственно, масло, находится всегда под немалыми тепловыми и электромагнитными нагрузками.

Кроме того, есть ряд эксплуатационных факторов, вызывающих увеличение концентрации растворенных в масле газов. Среди них:

1)доливка в бак трансформатора масла, бывшего в эксплуатации;

2)увеличение нагрузки трансформатора сверх номинальной;

3)отсутствие процедуры дегазации масла, возвращенного обратно в бак после ремонта;

4)повышение температуры масла вследствие проведения, например, сварочных работ на баке.

Второй метод диагностики и контроля состояния силовых трансформаторов – контроль токов проводимости и определение тангенсов углов потерь в изоляции, – применяется преимущественно для диагностики состояния изоляции высоковольтных вводов, которые обычно имеют RIP-изоляцию. RIP-изоляция представляет собой последовательно намотанные на токопроводящие элементы слои диэлектрика (изоляционные промежутки) и металлической фольги (проводящие слои).

От крайнего к баку слоя фольги (крайней обкладки конденсатора) делается вывод (электрод), который служит для измерения параметров изоляции высоковольтного ввода. Контролируя значения токов проводимости и определяя тангенсы углов потерь в изоляции высоковольтного ввода с помощи этого электрода, можно эффективно выявлять развивающиеся в RIP-изоляции дефекты. Дефекты главным образом обусловлены увлажнением ввода либо развитием локальных дефектов в слоях изоляции (микрополости с воздухом, влагой). Любой из развивающихся дефектов приводит к увеличению активных потерь мощности в изоляции и, как следствие, к возрастанию угла диэлектрических потерь.

Следует отметить, что метод контроля токов проводимости и определения тангенсов углов потерь в изоляции эффективно применять

всочетании с другим методом – измерением уровня частичных разрядов

ввысоковольтных вводах.

Степень увлажнения высоковольтной изоляции силового трансформатора контролируется отдельно путем определения

17

концентрации содержания влаги в масле трансформатора. Причем понятие влагосодержание масла не является однозначным, поскольку вода в масле может находиться в различных формах: в виде растворенной в масле воды, в виде эмульсированной влаги и в так называемом слабосвязанном состоянии.

Растворенную в масле воду можно представить как расположение молекул воды между молекулами масла. Однако, растворимость воды в масле мала – десятки и сотни грамм на тонну масла. В общем случае растворимость зависит от температуры масли, степени его состаренности и его химического состава.

Если воды в масле больше, чем может раствориться, то она переходит в эмульгированную форму. Эмульгированная вода, по сути, представляет собой капельки воды в масле размером в десятки и сотни микрон. Однако, при дальнейшем увлажнении масла эти капельки начинают коагулировать, быстро сливаясь в более крупные капли. Образование эмульгированной влаги в масле является недопустимым, поскольку диэлектрические свойства трансформаторного масла ухудшаются в разы.

Слабосвязанная влага характерна для состаренных масел. В состаренных маслах, бывших долгое и время в эксплуатации, в результате окисления масла образуются различные сложные соединения (фенолы, спирты), которые привлекают к себе молекулы воды, образуя другие химические соединения. Но поскольку эта вода является химически связанной, то она не переходит в эмульгированное состояние. Однако, вновь образованные химические соединения нестабильны, и молекулы воды легко могут отрываться от более сложных химических соединений и переходить в эмульгированную форму, резко снижая тем самым электрическую прочность масла.

Помимо этих трех видов влаги в масле, в силовом трансформаторе следует учитывать влагу, располагающуюся на дне бака трансформатора, а также находящуюся в твердой главной изоляции. Однако наличие этой воды не сказывается столь существенным образом, как другие виды влаги.

Степень увлажнения высоковольтной изоляции силового трансформатора контролируется двумя путями: путем периодического отбора проб масла и проведения соответствующих анализов по известным лабораторным методикам; в системах автоматического контроля и мониторинга силовых трансформаторов с использованием соответствующих датчиков, располагаемых внутри бака в масле.

Три вышеизложенные метода контроля изоляции силовых

18

трансформаторов известны давно, и оборудование для соответствующих испытаний и мониторинга и успешно применяются. А вот для измерения уровня частичных разрядов в последние годы появилось несколько новых образцов измерительного оборудования, в том числе отечественного. Наиболее простым и эффективным способом диагностики состояния изоляции силового трансформатора, как, собственно, и любого другого высоковольтного оборудования, представляется измерение уровня частичных разрядов в высоковольтных вводах и в главной изоляции силового трансформатора.

Следует отметить, что частичные разряды являются начальным этапом дальнейшего развития дефектов в высоковольтной изоляции. Со временем, по мере развития дефектов, частичные разряды, как правило, приводят к возникновению дуговых разрядов через изоляцию, что в конечном итоге приводит к серьезным аварийным последствиям.

Причинами частичных разрядов в высоковольтной изоляции являются микродефекты в изоляции в виде различных мельчайших полостей, заполненных воздухом или влагой. В этих полостях в воздухе или воде всегда есть свободные электроны и ионизированные ионы молекул воздуха или растворенных солей, а поскольку изоляция находится в местах повышенных значений напряженности электрического поля, которое меняется с частотой 50 Гц, то в этих микрополостях происходят микроразряды. Причем в нормальном состоянии эти разряды в целом не влияют на диэлектрические свойства высоковольтной изоляции, но свидетельствуют о начале процесса старения изоляции. Поскольку они происходят в отдельных маленьких частях изоляционных промежутков, то они и получили название частичных разрядов. Особенностью этих частичных разрядов является то, что они создают электромагнитные помехи в радиочастотном диапазоне. Спектр такого радиочастотного сигнала достаточно широкий, то есть частоты составляющих высших гармоник имеют большой разброс.

Современные устройства регистрации частичных разрядов в высоковольтной изоляции основаны на измерении мощности этих электромагнитных помех. Они позволяют с минимальными усилиями, а значит, и материальными затратами контролировать состояние высоковольтной изоляций в силовых трансформаторах.

Контроль состояния изоляции силовых трансформаторов в энергосистемах представляется крайне важной задачей, в особенности в связи с неизбежным устареванием парка силовых трансформаторов. Современные технологии позволяют осуществлять постоянные

19

контроль и мониторинг состояния силовых трансформаторов с использованием соответствующих диагностических систем различной стоимости и функционала. Очевидно одно – электроэнергетическим организациям необходимо инвестировать средства и внедрять системы диагностического мониторинга состояния силовых трансформаторов.

Литература

1.Киреев О. В. Повышение эффективности оперативной диагностики высоковольтного электрооборудования / О. В. Киреев, Н. В. Ситников, С. А. Горемыкин // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники Инженерные идеи XXI века: труды Всерос. студ. научнотехнической конф. – Воронеж: ВГТУ, 2012. – С. 135-137.

2.Зайцев С. И. Выбор добавки напряжения в силовых трансформаторах городских электрических сетей / С. И. Зайцев, Н. И. Королев, Н. В. Ситников // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники Инженерные идеи XXI века: труды Всерос. студ. научнотехнической конф. – Воронеж: ВГТУ, 2012. – С. 150-152.

3.Бабинов С. В. Испытание силовых трансформаторов после проведения капитального ремонта / С. В. Бабинов, С. А. Горемыкин, Н. В. Ситников // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники Инженерные идеи XXI века: труды Всерос. студ. научнотехнической конф. – Воронеж: ВГТУ, 2009. – С. 126-128.

Воронежский государственный технический университет

20