138
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Прогнозирование
пробоев
изоляции
линий
электропередачи
10–110
кВ
и
определение
их
остаточного
ресурса
Мурин
И
.
В
.,
филиал
«
МРСК
Сибири
» — «
Омскэнерго
»
д
.
т
.
н
.
Никитин
К
.
И
.,
Поляков
Д
.
А
.,
ОмГТУ
Аннотация
В
процессе
эксплуатации
линий
электропередачи
естественное
разрушение
изоляции
может
стать
причиной
короткого
замыкания
,
способного
повлечь
за
собой
значитель
-
ное
повреждение
оборудования
и
,
следовательно
,
существенные
экономические
по
-
тери
.
В
связи
с
этим
возникает
необходимость
контролировать
состояние
изоляции
на
протяжении
срока
ее
эксплуатации
известными
методами
.
В
статье
раскрывается
решение
данного
вопроса
,
которое
заключается
в
разработке
метода
и
устройства
ав
-
томатического
определения
остаточного
ресурса
и
предпробойного
состояния
изоля
-
ции
в
режиме
онлайн
,
что
явилось
целью
научно
-
исследовательской
работы
.
Ключевые
слова
:
прогнозирование
пробоев
изоляции
,
прогнозирующая
защита
,
остаточный
ресурс
,
предпробойное
состояние
изоляции
,
стеклянная
и
фарфоровая
изоляция
,
изоляция
из
сшитого
полиэтилена
,
линии
электропередачи
,
частичные
разряды
,
устройство
мониторинга
,
передача
данных
Введение
Одним
из
самых
уязвимых
и
ненадежных
элементов
электроустановок
является
изоляция
.
Линии
электропередачи
(
ЛЭП
)
не
исключение
.
Это
связано
с
тем
,
что
изоляция
подвержена
старению
под
воздействием
внешних
и
внутренних
разрушающих
факторов
,
среди
которых
может
быть
температура
,
частичные
разряды
,
влажность
и
др
. [1–3].
Поэтому
желательно
контролировать
состояние
изоляции
на
протяжении
всего
срока
ее
эксплуатации
.
Для
этого
могут
проводиться
следующие
мероприятия
[4, 5]:
–
испытание
повышенным
напряжением
различной
формы
—
постоянным
,
синусоидальным
50
Гц
, 0,1
Гц
(
при
данном
виде
испытаний
предполагается
,
что
произойдет
пробой
в
местах
имеющихся
дефектов
);
139
УПРАВЛЕНИЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ
АКТИВАМИ
–
измерение
сопротивления
изоляции
до
и
после
проведения
испытаний
[6];
–
измерение
диэлектрических
потерь
(
контроль
величины
тангенса
угла
диэлектрических
потерь
);
–
измерение
частичных
разрядов
(
ЧР
) (
как
правило
,
контроль
одной
или
нескольких
характеристик
,
например
,
существенное
возрастание
мощности
частичных
разрядов
после
ее
кратковременного
снижения
говорит
о
предпробивном
состоянии
изоля
-
ции
[7]);
–
измерение
емкости
кабельных
линий
;
–
измерение
коэффициента
абсорбции
[8, 9];
–
обследование
ЛЭП
тепловизионным
методом
(
поиск
дефектов
изоляции
по
нагреву
изо
-
ляции
) [10];
–
обследование
ЛЭП
рентгеновским
методом
[11];
–
измерение
и
анализ
возвратного
напряжения
[9];
–
метод
рефлектометрии
(
импульсный
,
высокочастотный
) [12].
Испытания
повышенным
напряжением
являются
разрушающими
для
изоляции
и
могут
сократить
срок
ее
службы
.
Также
разрушающими
для
некоторых
типов
изоляции
могут
быть
испытания
,
подразумевающие
использование
постоянного
напряжения
ввиду
воз
-
можности
накопления
объемного
заряда
в
микровключениях
изоляции
[13, 14],
который
может
ускорить
развитие
дефектов
,
что
приведет
к
пробою
изоляции
в
краткосрочной
пер
-
спективе
.
Остальные
методы
контроля
состояния
изоляции
являются
неразрушающими
и
не
влияют
на
срок
ее
службы
.
Известно
,
что
любая
изоляция
подвергается
необратимым
естественным
процессам
старения
,
вследствие
чего
происходит
разрушение
изоляционного
материала
.
Происхо
-
дит
накопление
и
аккумулирование
дефектов
на
молекулярном
уровне
,
называемое
уста
-
лостными
явлениями
.
Разрушение
изоляции
может
происходить
по
следующим
причинам
:
1.
Электрическое
старение
.
Основной
причиной
является
непосредственно
электрическое
поле
высокой
напряжен
-
ности
.
Обычно
различными
дефектами
являются
микровключения
,
которые
заполнены
газом
или
крупицами
различных
веществ
,
которые
попали
в
изоляцию
в
процессе
ее
из
-
готовления
.
Под
воздействием
высокой
напряженности
электрического
поля
происходит
пробой
в
местах
расположения
дефектов
.
Это
явление
называется
частичным
разрядом
(
ЧР
) [10–12].
При
появлении
ЧР
в
изоляции
происходят
следующие
процессы
[12]:
–
протекание
импульсного
тока
в
цепях
с
источниками
частичных
разрядов
;
–
электромагнитное
излучение
;
–
световое
излучение
;
–
ударные
волны
;
–
разложение
диэлектрика
на
молекулярные
группы
в
зоне
ЧР
;
–
нагрев
локальных
объемов
изоляции
.
Все
эти
процессы
вызывают
разрушение
изоляции
.
Так
как
ЧР
появляются
периоди
-
чески
и
разрушают
диэлектрик
,
от
этого
все
микродефекты
увеличиваются
в
объеме
.
Любое
изменение
размеров
дефекта
приводит
к
изменению
характеристик
частичных
разрядов
[4],
поэтому
оценка
характеристик
ЧР
—
один
из
способов
контроля
состояния
изоляции
.
Однако
на
ранних
стадиях
развития
дефекта
характеристики
ЧР
трудно
опре
-
делить
,
так
как
дефект
в
изоляции
в
некоторых
случаях
может
развиться
до
пробоя
за
несколько
секунд
[13].
140
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
2.
Термическое
старение
Под
воздействием
высоких
температур
происходит
термическая
и
термоокислительная
де
-
струкция
полиэтилена
[14],
происходит
разрушение
полиэтилена
на
молекулярном
уровне
.
На
-
иболее
опасна
термоокислительная
деструкция
,
так
как
в
присутствии
кислорода
разрушение
в
полиэтилене
происходит
более
интенсивно
[14]).
В
результате
в
изоляции
могут
появиться
ЧР
,
ускоряющие
процесс
ее
разрушения
.
Надо
понимать
,
что
воздействие
температуры
также
может
оказывать
положительное
воз
-
действие
на
состояние
диэлектрика
.
Например
,
в
[15]
описывается
исследование
,
показыва
-
ющее
снижение
амплитуды
ЧР
после
проведения
искусственного
температурного
старения
полиэтилена
в
течение
400
часов
.
3.
Механическое
старение
Механическое
старение
диэлектрика
(
полиэтилена
)
возникает
при
высоких
механических
на
-
пряжениях
(
например
,
при
изгибе
провода
),
которые
превышают
энергию
связи
атомов
[14].
Вследствие
чего
происходит
разрушение
молекулярной
структуры
полиэтилена
.
4.
Увлажнение
изоляции
В
условиях
повышенной
влажности
вода
проникает
в
изоляцию
и
заполняет
дефекты
,
образу
-
ющиеся
в
процессе
ее
изготовления
.
Это
явление
называется
водным
триингом
[16].
В
резуль
-
тате
появляются
частичные
разряды
,
а
дефект
начинает
увеличиваться
в
размерах
.
5.
Радиация
Действие
радиации
на
диэлектрик
может
приводить
к
различным
повреждениям
на
молеку
-
лярном
уровне
.
Происходит
изменение
структуры
,
состояния
вещества
.
Носители
заряда
,
ко
-
торые
образуются
в
облучаемом
веществе
,
создают
стационарные
и
нестационарные
токи
.
Это
приводят
к
накоплению
объемного
заряда
в
диэлектриках
,
который
может
сохраняться
в
течение
длительного
времени
[17].
6.
УФ
-
излучение
УФ
-
излучение
имеет
широкий
диапазон
длины
волн
.
Наиболее
опасным
для
изоляции
из
поли
-
этилена
является
ультрафиолетовое
излучение
.
В
полиэтилене
возникает
явление
фотохими
-
ческой
деструкции
—
разрушение
молекул
под
влиянием
ультрафиолетового
излучения
[14].
7.
Химические
воздействия
При
химическом
воздействии
происходит
разрушение
макромолекул
полиэтилена
.
Такой
вид
разрушения
изоляции
обычен
при
эксплуатации
полиэтиле
-
на
в
агрессивной
среде
[14].
В
процессе
эксплуатации
ЛЭП
может
подвергаться
воздействию
всех
вышепе
-
речисленных
разрушающих
факторов
в
той
или
иной
степени
.
Однако
в
некоторых
случаях
воздействием
раз
-
рушающих
факторов
можно
пренебречь
.
Конструкция
ка
-
бельных
линий
такова
(
рису
-
нок
1),
что
существенное
воз
-
действие
на
изоляцию
могут
оказывать
только
напряжен
-
Рис
. 1.
Конструкция
одножильного
кабеля
с
изоляцией
из
сши
-
того
полиэтилена
: 1 —
алюминиевая
или
медная
токопрово
-
дящая
жила
; 2 —
полупроводящий
слой
из
сшитой
полимерной
композиции
; 3 —
изоляция
из
сшитого
полиэтилена
; 4 —
полу
-
проводящий
слой
из
сшитой
полимерной
композиции
; 5 —
слой
из
электропроводящей
водоблокирующей
ленты
; 6 —
экран
из
медных
проволок
,
скрепленных
медной
лентой
; 7 —
слой
из
электропроводящих
водоблокирующих
лент
; 8 —
полиэтилено
-
вая
оболочка
141
УПРАВЛЕНИЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ
АКТИВАМИ
ность
электрического
поля
,
температура
и
радиация
,
кроме
того
,
возможно
увлажнение
изоляции
,
но
это
воздействие
существенно
снижает
наличие
водоблокирующей
ленты
.
Одним
из
основных
недостатков
испытаний
изоляции
и
методов
контроля
ее
состояния
яв
-
ляется
их
периодический
характер
.
Промежуток
между
мероприятиями
по
контролю
состояния
изоляции
может
достигать
нескольких
лет
.
Так
как
процесс
старения
изоляции
непрерывен
,
за
время
между
измерением
контролируемых
параметров
в
изоляции
может
образоваться
и
раз
-
виться
дефект
,
который
приведет
к
короткому
замыканию
.
Однако
использование
некоторых
неразрушающих
методик
контроля
состояния
изоляции
позволяет
использовать
разработанные
системы
онлайн
-
мониторинга
[4, 15],
которые
позво
-
ляют
производить
непрерывный
контроль
параметров
(
например
,
мощности
частичных
раз
-
рядов
),
по
которым
можно
определить
остаточный
ресурс
изоляции
или
ее
предпробойное
состояние
.
Тем
не
менее
существенным
недостатком
остается
необходимость
контроля
изме
-
ряемых
параметров
человеком
.
Таким
образом
,
учитывая
вышесказанное
,
самой
актуальной
проблемой
сейчас
является
раз
-
работка
метода
автоматического
определения
остаточного
ресурса
изоляции
в
режиме
онлайн
.
Метод
оценки
остаточного
ресурса
по
уровню
характеристик
частичных
разрядов
показы
-
вает
хорошие
результаты
при
его
использовании
для
определения
предпробивного
состояния
изоляции
,
так
как
характеристики
частичных
разрядов
показывают
существенные
изменения
только
непосредственно
перед
пробоем
.
Определение
остаточного
ресурса
изоляции
в
дол
-
госрочной
перспективе
с
помощью
этого
метода
проблематично
ввиду
соизмеримости
сигна
-
лов
частичных
разрядов
с
уровнем
шумов
.
Однако
использование
этого
метода
в
совокупно
-
сти
с
мониторингом
температуры
изоляции
и
других
разрушающих
факторов
позволит
более
точно
определять
остаточный
ресурс
изоляции
при
использовании
специально
разработанной
математической
модели
старения
изоляции
.
Цели
и
задачи
Известно
,
что
одной
из
наиболее
острых
проблем
при
использовании
контроля
состояния
изо
-
ляции
на
основе
мониторинга
характеристик
частичных
разрядов
является
точность
регистра
-
ции
сигналов
частичных
разрядов
.
Исходя
из
этого
,
основной
целью
данной
работы
является
повышение
точности
регистрации
характеристик
частичных
разрядов
для
последующей
обра
-
ботки
данных
с
целью
прогнозирования
пробоя
изоляции
и
его
предотвращения
путем
автома
-
тического
отключения
поврежденного
элемента
с
предварительным
включением
секционного
выключателя
для
исключения
перерыва
питания
электрооборудования
.
Поставленной
цели
предлагается
достичь
путем
реализации
следующих
задач
:
–
использовать
датчик
,
позволяющий
производить
первичную
обработку
сигнала
с
помощью
аппаратных
средств
(
фильтров
),
регистрировать
и
передавать
высокочастотные
всплески
малых
величин
тока
и
напряжения
на
участках
линии
электропередачи
[16];
–
использовать
подходящий
математический
аппарат
,
позволяющий
проанализировать
отфиль
-
трованный
сигнал
для
выявления
частичных
разрядов
и
определения
их
характеристик
.
Датчик
тока
и
напряжения
для
воздушной
и
кабельной
ЛЭП
Для
измерения
характеристик
частичных
разрядов
требуется
возможность
регистрации
вы
-
сокочастотных
составляющих
спектра
сигналов
тока
и
напряжения
линий
электропередачи
.
В
связи
с
этим
использование
традиционных
измерительных
трансформаторов
тока
и
напря
-
жения
на
электромагнитном
принципе
для
указанных
целей
невозможно
.
142
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
В
связи
с
этим
предлагается
использовать
новую
конструк
-
цию
датчика
,
позволяющего
ре
-
гистрировать
одновременно
ток
и
напряжение
питающей
сети
(
рисунки
2
и
3).
Достаточной
точ
-
ности
регистрации
высокочастот
-
ных
составляющих
предлагается
достичь
за
счет
использования
безынерционных
резистивных
шунтов
и
делителей
,
не
вносящих
искажения
в
формы
сигналов
.
Сигналы
тока
и
напряжения
,
снимаемые
с
линии
электропе
-
редачи
,
передаются
на
блок
пре
-
образования
сигналов
,
используемый
для
следующих
задач
:
–
преобразование
сигналов
с
помощью
аппаратных
средств
(
например
,
полосового
филь
-
тра
)
для
упрощения
анализа
сигналов
с
целью
выявления
частичных
разрядов
;
–
оцифровка
сигналов
тока
и
напряжения
для
передачи
на
диспетчерский
пункт
с
высокой
частотой
дискретизации
и
разрядностью
АЦП
;
–
программные
средства
,
используемые
для
обработки
сигнала
до
его
передачи
на
устрой
-
ство
прогнозирующей
защиты
(
обработка
данных
32-
разрядным
микроконтроллером
с
использованием
вейвлет
-
преобразований
или
другого
способа
обработки
данных
для
анализа
сигнала
).
Спектр
частот
частичных
разрядов
обширен
и
может
содержать
гармоники
в
диапазоне
от
не
-
скольких
килогерц
до
сотен
мегагерц
[17].
В
связи
с
этим
целесообразно
использовать
полосовой
фильтр
с
полосой
пропускания
частот
от
10
кГц
до
100
МГц
.
Такой
диапазон
фильтра
выбран
с
це
-
лью
фильтрации
основной
гармоники
тока
и
напряжения
(50
Гц
),
а
также
других
гармоник
,
имеющих
-
ся
в
сети
как
следствие
работы
некоторых
видов
потребителей
(
выпрямители
,
регуляторы
часто
-
ты
вращения
двигателей
,
люминесцентные
и
газоразрядные
лампы
и
др
.).
С
целью
определения
Траверсы
Провод
ЛЭП
Блок
преобразования
сигналов
Передача
информации
на
диспетчерский
пункт
Рис
. 2.
Структурная
схема
датчика
тока
и
напряжения
для
воздушной
ЛЭП
Передача
информации
по
интерфейсу
RS-232
Блок
измерения
тока
в
жиле
кабеля
Компьютер
Блок
обработки
и
передачи
данных
Блок
измерения
напряжения
,
тока
экрана
и
температуры
поверхности
кабеля
Связь
по
радиоканалу
433
МГц
R
1
R
3
R
4
R
2
Передача
ин
-
формации
по
радиоканалу
433
МГц
Датчик
температуры
Делитель
напряжения
Кабель
ЛЭП
Рис
. 3.
Структурная
схема
датчика
тока
и
напряжения
для
кабельной
ЛЭП
143
УПРАВЛЕНИЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ
АКТИВАМИ
необходимого
частот
-
ного
диапазона
работы
устройств
было
проведе
-
но
осциллографирование
характеристик
частичных
разрядов
.
Был
получен
импульс
ЧР
(
рисунок
4)
и
проанализирован
его
частотный
спектр
(
рису
-
нок
5),
показавший
на
-
личие
в
сигнале
спектра
гармоник
до
20
МГц
с
пи
-
ком
в
области
1–1,5
МГц
.
Однако
несмотря
на
су
-
щественное
содержание
гармоник
низших
частот
в
сигнале
,
требуется
про
-
изводить
фильтрацию
ос
-
новной
гармоники
(50
Гц
).
В
связи
с
этим
целесо
-
образно
использовать
фильтр
верхних
частот
с
частотой
среза
100
кГц
.
Дальнейшая
обработ
-
ка
сигнала
производится
с
помощью
вейвлет
-
пре
-
образований
,
так
как
ис
-
пользование
этого
мето
-
да
является
рациональным
для
анализа
сигнала
с
целью
распознавания
сигналов
частичных
разрядов
,
а
также
упрощает
передачу
информации
на
диспетчерский
пункт
.
Кроме
того
,
важным
достоинством
этого
метода
является
возможность
его
реализации
в
современных
быстродейст
-
вующих
32-
разрядных
микроконтроллерах
,
например
,
на
базе
ARM Cortex-M4
и
др
.
Известно
[19],
что
мощность
частичных
разрядов
возрастает
с
увеличением
размеров
де
-
фекта
,
затем
следует
кратковременное
снижение
мощности
,
после
чего
мощность
ЧР
продол
-
жает
расти
и
в
краткосрочной
перспективе
вызывает
пробой
изоляции
.
При
этом
мощность
частичных
разрядов
,
способных
привести
к
пробою
изоляции
составляет
несколько
десятков
милливатт
,
в
то
время
как
при
отсутствии
дефектов
при
номинальном
напряжении
мощность
ЧР
,
согласно
измерениям
,
не
превышает
150
мкВт
.
При
возникновении
динамики
роста
мощности
частичных
разрядов
последующие
действия
системы
зависят
от
скорости
роста
мощности
и
расчетного
времени
возникновения
пробоя
изоляции
.
При
быстром
развитии
дефекта
,
которое
в
некоторых
случаях
может
составлять
несколь
-
ко
секунд
,
система
контроля
состояния
изоляции
(
прогнозирующая
защита
[20, 21])
передает
сигнал
на
устройства
противоаварийной
автоматики
,
которые
производят
автоматическое
от
-
ключение
поврежденного
элемента
с
предварительным
включением
секционного
выключате
-
ля
,
что
позволяет
избежать
и
короткого
замыкания
,
перерыва
питания
электрооборудования
.
Рис
. 4.
Импульс
частичного
разряда
Рис
. 5.
Частотный
спектр
частичного
разряда
t
,
нс
U
r
,
В
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
–0,1
Частота
(
f
), 10
7
Гц
|
P
(
f
)|
2
1,4
1,6
1,8
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,04
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
144
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
После
автоматического
отключения
оперативный
персонал
производит
поиск
места
повре
-
ждения
и
его
ремонт
.
При
небольшой
скорости
развития
образовавшегося
дефекта
система
контроля
состояния
изоляции
передает
сигнал
на
автоматизированное
рабочее
место
персонала
о
необходимости
устранения
дефекта
.
Персонал
производит
поиск
местоположения
дефекта
без
отключения
напряжения
в
штатном
режиме
и
устраняет
его
.
При
этом
также
исключается
перерыв
питания
электропотребителей
.
Прогнозирующая
защита
Принцип
действия
прогнозирующей
защиты
заключается
в
мониторинге
разрушающих
изо
-
ляцию
воздействий
(
частичных
разрядов
,
температуры
,
влажности
окружающей
среды
,
уль
-
трафиолетового
излучения
и
др
.) [18].
Так
как
с
помощью
устройства
прогнозирующей
защиты
можно
контролировать
сразу
несколько
ЛЭП
,
целесообразно
установить
центральный
блок
обработки
данных
в
диспетчерском
пункте
.
Таким
образом
,
информация
о
частичных
разрядах
с
датчика
тока
и
напряжения
передает
-
ся
в
диспетчерский
пункт
на
центральный
блок
прогнозирующей
защиты
,
который
собирает
ин
-
формацию
со
всех
датчиков
,
используемых
для
определения
остаточного
ресурса
изоляции
,
производит
оценочный
расчет
остаточного
ресурса
изоляции
и
определяет
ее
предпробойное
состояние
в
случае
его
возникновения
.
Информация
об
остаточном
ресурсе
может
сообщаться
персоналу
предприятия
для
кор
-
ректировки
плановых
ремонтных
мероприятий
.
В
случае
возникновения
предпробойного
со
-
стояния
какого
-
либо
из
участков
ЛЭП
соответствующая
информация
также
передается
пер
-
соналу
и
,
в
случае
необходимости
,
поврежденный
элемент
отключается
до
возникновения
короткого
замыкания
с
предварительным
включением
секционного
выключателя
для
исклю
-
чения
перерыва
питания
электрооборудования
.
Методика
расчета
остаточного
ресурса
Расчет
остаточного
ресурса
необходимо
производить
исходя
из
математической
модели
ста
-
рения
изоляции
.
В
настоящее
время
известны
модели
,
предложенные
Журковым
,
Крайном
,
модель
на
основе
закона
Аррениуса
и
обратной
степенной
модели
,
а
также
модель
,
предло
-
женная
Г
.
С
.
Кучинским
[1, 22–26].
Стоит
отметить
,
что
из
литературных
источников
неизвестно
о
создании
математической
модели
,
учитывающей
весь
спектр
возможных
воздействий
на
изоляцию
,
и
существующие
модели
основываются
на
воздействии
электрического
поля
и
тем
-
пературы
.
Предлагается
за
основу
расчета
взять
модель
Кучинского
,
согласно
которой
срок
службы
изоляции
можно
рассчитать
по
формуле
:
сл
=
AE
–
n
exp
(
W
a
/
kT
). (1)
Согласно
[1],
срок
службы
изоляции
определяется
мощностью
частичных
разрядов
и
ско
-
ростью
химических
реакций
при
термической
и
термоокислительной
деструкции
изоляци
-
онного
материала
,
определяемой
законом
Аррениуса
.
Кроме
того
,
примем
допущение
,
что
изоляционный
материал
признается
непригодным
к
эксплуатации
при
разрушении
35%
его
структуры
,
так
как
при
превышении
этого
значения
вероятность
пробоя
изоляции
сущест
-
венно
возрастает
[27].
Кроме
того
,
для
расчета
срока
службы
изоляции
требуется
учет
в
формуле
степени
раз
-
рушения
материала
.
Предполагается
,
что
в
константе
А
заложена
степень
разрушения
ма
-
145
УПРАВЛЕНИЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ
АКТИВАМИ
териала
и
коэффициенты
функций
мощности
частичных
разрядов
и
константы
К
0
уравнения
Аррениуса
.
Следовательно
,
формулу
(1)
можно
представить
в
виде
:
ln
(
N
t
/
N
0
)
сл
= —
— (2)
с
·
B
·
E
n
·
K
0
·
exp
(–
W
a
/
kT
)
или
:
ln
(
N
t
/
N
0
)
сл
= —, (3)
с
·
P
ЧР
·
K
t
(
T
)
где
N
t
—
количество
молекул
вещества
в
единице
объема
при
критической
степени
разруше
-
ния
материала
,
N
0
—
количество
молекул
вещества
в
единице
объема
до
начала
разрушения
,
принято
N
t
/
N
0
= 0,65,
P
ЧР
=
В
∙
E
n
—
мощность
частичных
разрядов
,
В
—
константа
,
E
—
на
-
пряженность
электрического
поля
,
n
—
показатель
степени
,
зависящий
от
типа
и
структуры
материала
,
K
t
(
T
) =
К
0
∙
e
(-
W
a
/
kT
)
—
коэффициент
скорости
химических
реакций
при
температуре
в
данный
момент
времени
,
К
0
—
константа
скорости
реакции
закона
Аррениуса
,
W
a
—
энер
-
гия
активации
,
k
—
постоянная
Больцмана
,
T
—
температура
в
Кельвинах
,
с
—
умножающий
коэффициент
,
определенный
синергизмом
воздействия
температуры
и
электрического
поля
.
Расчет
остаточного
ресурса
целесообразно
производить
по
формуле
(2),
так
как
возможно
увеличение
мощности
частичных
разрядов
в
изоляции
при
образовании
дефекта
,
что
не
всегда
является
условием
необходимости
замены
кабеля
по
всей
длине
.
Неучет
этого
фактора
при
расчете
остаточного
ресурса
по
формуле
(3)
может
внести
существенную
погрешность
в
расчет
.
При
этом
для
расчета
остаточного
ресурса
необходимо
производить
расчет
количества
не
-
разрушенных
молекул
материала
в
заданном
объеме
вещества
с
целью
определения
степени
его
деградации
.
Исходя
из
формулы
(2),
количество
неразрушенных
молекул
в
данный
момент
времени
будет
рассчитываться
следующим
образом
:
N
=
N
0
e
–
с
·
B
·
E
n
·
K
0·
exp
(–
W
a
/
kT
)
t
. (4)
Однако
учитывая
условие
,
что
с
течением
времени
напряженность
электрического
поля
и
тем
-
пература
,
как
правило
,
хаотично
меняются
в
условиях
эксплуатации
,
необходимо
производить
рас
-
чет
с
разбивкой
по
времени
(
например
,
один
раз
в
секунду
).
Учитывая
,
что
функции
изменения
напряженности
и
температуры
случайны
,
предлагается
производить
расчет
по
формуле
:
t
N
(
t
) =
∫
(
t
)
dt
, (5)
0
где
(
t
) —
скорость
разрушения
материала
под
совокупным
воздействием
факторов
,
разруша
-
ющих
изоляцию
воздействием
,
в
момент
времени
t
,
которую
можно
определить
по
формуле
:
(
t
) = –
N
t
/
dt
=
с
∙
B
∙
E
n
∙
K
0
∙
exp
(–
W
a
/
kT
)
∙
N
0
e
–
с
·
B
·
E
n
·
K
0·
exp
(–
W
a
/
kT
)
t
. (6)
Результаты
расчета
функции
изменения
количества
неразрушенных
молекул
(5)
будут
ис
-
пользованы
для
определения
эмпирической
функции
путем
подбора
функции
методом
наи
-
меньших
квадратов
:
N
=
N
0
e
b
t
. (7)
Результат
расчета
эмпирической
функции
позволит
определить
прогнозируемый
срок
службы
изоляции
:
ln
(
N
t
/
N
0
)
сл
= —. (8)
b
146
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Предложенная
методика
расчета
остаточного
ресурса
была
апробирована
на
реальных
данных
мониторинга
нагрузок
линий
электропередачи
на
объекте
филиала
ПАО
«
МРСК
Си
-
бири
» — «
Омскэнерго
».
Полученная
зависимость
прогнозируемого
срока
службы
от
времени
работы
алгоритма
представлена
на
рисунке
6.
Выводы
1.
В
качестве
контрольной
характеристики
состояния
изоляции
предложено
использовать
мощность
ЧР
,
по
динамике
изменения
которой
в
процессе
развития
дефекта
можно
опре
-
делить
наличие
предпробивного
состояния
изоляции
для
избегания
короткого
замыкания
,
вызванного
пробоем
изоляции
.
2.
Использование
безынерционных
резистивных
элементов
в
конструкции
датчика
тока
и
на
-
пряжения
является
преимуществом
по
сравнению
с
использованием
других
методов
реги
-
страции
частичных
разрядов
,
так
как
для
анализа
их
характеристик
используется
электри
-
ческий
сигнал
.
3.
Конструкция
датчика
позволяет
использовать
его
для
осуществления
мониторинга
харак
-
теристик
частичных
разрядов
в
реальном
масштабе
времени
,
а
также
передавать
измерен
-
ные
характеристики
частичных
разрядов
на
устройство
,
определяющее
остаточный
ресурс
и
предпробойное
состояние
изоляции
.
4.
Прогнозирующая
защита
исключает
возникновение
коротких
замыканий
,
связанных
со
ста
-
рением
изоляции
,
что
повышает
прежде
всего
устойчивость
электроэнергетической
систе
-
мы
,
уменьшает
электродинамические
и
термические
воздействия
КЗ
на
электроустановки
.
5.
Предлагаемые
способы
определения
предпробойного
состояния
и
остаточного
ресурса
изоляции
реализуемы
в
устройстве
,
дополнительными
функциями
которого
может
быть
термическая
защита
кабелей
от
перегрева
,
анализ
показателей
качества
электрической
энергии
,
а
также
контроль
и
учет
электрической
энергии
.
6.
Результат
расчета
прогнозируемого
срока
службы
показывает
,
что
срок
службы
близок
к
паспортному
и
составляет
около
25
лет
на
момент
окончания
регистрации
данных
.
Вре
-
менная
зависимость
прогнозируемого
срока
службы
показывает
его
изменение
в
зависи
-
мости
от
условий
эксплуатации
.
7.
Предполагается
,
что
по
результатам
разработки
будут
скорректированы
планово
-
профи
-
лактические
ремонты
линий
электропередачи
,
а
также
их
замена
в
соответствии
с
данны
-
ми
мониторинга
остаточного
ресурса
.
Рис
. 6.
Результат
расчета
прогнозируемого
срока
службы
в
процессе
эксплуатации
линии
электропередачи
Время
,
ч
Пр
ог
но
зи
ру
емый
срок
сл
уж
бы
,
ле
т
700
600
500
400
300
200
100
0
35
30
25
20
15
10
5
0
147
УПРАВЛЕНИЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ
АКТИВАМИ
ЛИТЕРАТУРА
1.
Кучинский
Г
.
С
.,
Кизеветтер
В
.
Е
.,
Пинталь
Ю
.
С
.
Изоляция
установок
высокого
напряжения
.
Под
общ
.
ред
.
Г
.
С
.
Кучинского
.
М
.:
Энергоатом
-
издат
, 1987. 368
с
.
2.
Никитин
К
.
И
.,
Поляков
Д
.
А
.
Аналитическое
определение
остаточного
ресурса
изоляции
/
Сборник
докладов
5-
й
международной
научно
-
технической
конференции
«
Современные
на
-
правления
развития
систем
релейной
защиты
и
автоматики
энергосистем
».
Сочи
, 2015.
3.
Брацыхин
Е
.
А
.,
Шульгина
Э
.
С
.
Технология
пла
-
стических
масс
. 3-
е
изд
.,
перераб
.
и
доп
.
Л
.:
Хи
-
мия
, 1982. 328
с
.
4.
Пономарев
Н
.
В
.
Анализ
методов
диагностики
состояния
силовых
высоковольтных
кабель
-
ных
линий
//
Вестник
КузГТУ
, 2012,
№
5(93).
С
. 68–71.
5.
Гудков
В
.
В
.
Особенности
методик
и
средств
испытаний
кабелей
с
СПЭ
-
изоляцией
//
Энер
-
гобезопасность
и
энергосбережение
, 2009,
№
6(30).
С
. 4–6.
6.
Правила
устройства
электроустановок
.
М
.:
Из
-
дательство
НЦ
ЭНАС
, 2000. 552
с
.
7.
Исмагилов
Ф
.
Р
.,
Максудов
Д
.
В
.
Математи
-
ческое
моделирование
развития
частичных
разрядов
в
процессе
старения
диэлектрика
//
Вестник
Уфимского
государственного
авиаци
-
онного
технического
университета
, 2011,
т
. 15,
№
3 (43).
С
. 98–100.
8.
Пат
. 2373546
Российская
Федерация
МПК
G01R31/00 (2006.01).
Способ
определения
со
-
стояния
и
ресурса
изоляции
/
Зенова
Е
.
М
.,
Чер
-
нышев
В
.
А
.,
Чернов
В
.
А
.;
Заявитель
и
патенто
-
обладатель
Государственное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
обра
-
зования
«
Московский
энергетический
институт
(
технический
университет
)» (
ГОУВПО
«
МЭИ
(
ТУ
)»),
№
2008103231/28;
заявл
. 01.02.2008;
опубл
. 20.11.2009.
Бюл
.
№
32. 9
с
.
9.
Пат
. 2523075
Российская
Федерация
МПК
G01R27/18 (2006.01).
Устройство
для
контроля
качества
электрической
изоляции
/
Серебря
-
ков
А
.
С
.,
Семенов
Д
.
А
.;
Заявитель
и
патен
-
тообладатель
Государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
про
-
фессионального
образования
«
Нижегородский
государственный
инженерно
-
экономический
институт
» (
НГИЭИ
),
№
2012122288/28,
заявл
.
01.02.2008;
опубл
. 20.07.2014.
Бюл
.
№
20. 12
с
.
10.
Чичев
С
.
И
.
Опыт
применения
тепловизоров
при
контроле
технического
состояния
оборудо
-
вания
подстанций
филиала
ОАО
«
МРСК
Цент
-
ра
» — «
Тамбовэнерго
» //
Энергобезопасность
и
энергосбережение
, 2011,
№
4(40).
С
. 35–37.
11.
Пат
. 2439596
Российская
Федерация
МПК
G01R31/00 (2006.01). G01N21/00 (2006.01).
Способ
контроля
состояния
изоляции
. /
Порт
-
ной
А
.
Ю
.,
Мельниченко
О
.
В
.,
Сидорова
Ю
.
И
.,
Шрамко
С
.
Г
.;
Заявитель
и
патентообладатель
Государственное
образовательное
учрежде
-
ние
высшего
профессионального
образова
-
ния
«
Иркутский
государственный
универси
-
тет
путей
сообщения
» (
ИрГУПС
(
ИрИИТ
)),
№
2010122529/28,
заявл
. 01.02.2008;
опубл
.
10.01.2012.
Бюл
.
№
1. 4
с
.
12.
Сотников
В
.
В
.
Математическое
моделирование
системы
локализации
и
типизации
поврежде
-
ний
работающей
силовой
сети
//
Вестник
СГТУ
,
2011,
№
4(62).
С
. 165–169.
13. Fu M. et al. Mechanism of space charge accumula-
tion in crosslinked polyethylene under temperature
gradient, 2015, IEEE 11th International Confer-
ence on the Properties and Applications of Dielec-
tric Materials (ICPADM), Sydney, NSW, 2015, pp.
356–359.
14. Arakane T. et al. Space charge accumulation prop-
erties in XLPE with Carbon nano-
fi
ller, 2012, IEEE
International Conference on Condition Monitoring
and Diagnosis, Bali, 2012, pp. 328–331.
15.
Дубяго
М
.
Н
.,
Полуянович
Н
.
К
.
Метод
ампли
-
тудного
и
фазового
распределения
импуль
-
сов
частичных
разрядов
в
задачах
исследо
-
вания
изоляции
кабельных
линий
//
Известия
ЮФУ
.
Технические
науки
, 2012,
№
7(132).
С
. 200–205.
16.
Заявка
на
изобретение
. 2015116387
Россий
-
ская
Федерация
МПК
G01R19/00 (2006.01).
Оптико
-
электронный
датчик
тока
и
напряжения
/
Никитин
К
.
И
.
и
др
.;
Заявитель
и
патентообла
-
датель
Федеральное
государственное
бюд
-
жетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«
Омский
государственный
технический
университет
»,
заявл
. 29.04.2015;
опубл
. 20.11.2016.
17. Hilton de Oliveira Mota et. al. Partial discharge
signal denoising with spatially adaptive wavelet
thresholding and support vector machines, Electric
Power Systems Research, Volume 81, Issue 2,
February 2011, pp. 644–659.
18. Polyakov D.A., Yurchuk D.A., Nikitin K.I. Digital
temperature meter of polyethylene insulation.
International Siberian Conference on Control
and Communications (SIBCON). Omsk, 2015,
pp. 1–4.
19.
Исмагилов
Ф
.
Р
.,
Максудов
Д
.
В
.
Математи
-
ческое
моделирование
развития
частичных
разрядов
в
процессе
старения
диэлектрика
//
Вестник
Уфимского
государственного
авиаци
-
148
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
онного
технического
университета
, 2011,
т
. 15,
№
3(43).
С
. 98–100.
20.
Никитин
К
.
И
.
Опережающий
автоматический
ввод
резерва
собственных
нужд
электрических
станций
и
подстанций
/
В
.
Н
.
Горюнов
,
К
.
И
.
Ни
-
китин
,
М
.
М
.
Сарычев
//
Омский
научный
вест
-
ник
, 2011,
№
3(103).
С
. 211–213.
21.
Никитин
К
.
И
.
Опережающее
автоматическое
включение
резерва
/
К
.
И
.
Никитин
,
М
.
М
.
Сары
-
чев
,
В
.
Д
.
Степанов
,
Е
.
Н
.
Еремин
,
К
.
В
.
Хацевский
//
Омский
научный
вестник
, 2012,
№
1(107).
С
.
237–238.
22. Mazzanti G. The combination of electro-thermal
stress, load cycling and thermal transients and
its effects on the life of high voltage ac cables /
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical
Insulation, vol. 16, No. 4, pp. 1168–1179.
23. Mazzanti G. Analysis of the Combined Effects of
Load Cycling, Thermal Transients, and Electro-
thermal Stress on Life Expectancy of High-Voltage
AC Cables / IEEE Transactions on Power Delivery,
vol. 22, No. 4, pp. 2000–2009.
24. Crine J.P. On the interpretation of some electrical
aging and relaxation phenomena in solid dielec-
trics / IEEE Transactions on Dielectrics and Electri-
cal Insulation, vol. 12, No. 6, pp. 1089–1107.
25. Parpal J.L., Crine J.P., Dang Ch. Electrical aging of
extruded dielectric cables. A physical model / IEEE
Transactions on Dielectrics and Electrical Insula-
tion. vol. 4, No. 2, pp. 197–209.
26. Zhurkov S.N. Kinetic Concept of Strength of Solids
/ Intern. J. Fract. Mech., 1965. Vol. 1, pp. 311– 323.
27.
Поляков
Д
.
А
.
Определение
остаточного
ре
-
сурса
линий
электропередачи
с
изоляцией
из
сшитого
полиэтилена
/
Д
.
А
.
Поляков
,
Г
.
А
.
Ко
-
щук
,
К
.
И
.
Никитин
//
Электротехника
, 2017.
№
5.
С
. 31–34.
Оригинал статьи: Прогнозирование пробоев изоляции линий электропередачи 10–110 кВ и определение их остаточного ресурса
В процессе эксплуатации линий электропередачи естественное разрушение изоляции может стать причиной короткого замыкания, способного повлечь за собой значительное повреждение оборудования и, следовательно, существенные экономические потери. В связи с этим возникает необходимость контролировать состояние изоляции на протяжении срока ее эксплуатации известными методами. В статье раскрывается решение данного вопроса, которое заключается в разработке метода и устройства автоматического определения остаточного ресурса и предпробойного состояния изоляции в режиме онлайн, что явилось целью научно-исследовательской работы.
