Анализ тепловых полей некоторых элементов электроустановок высокого напряжения применительно к задачам их диагностики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат технических наук Сухичев, Михаил Иванович

• Сухичев, Михаил Иванович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сухичев, Михаил Иванович

Содержание.

Введение.

Глава 1. Методы исследования тепловых режимов и полей электроустановок.

1.1. Методы регистрации тепловых полей.

1.2. Аналитические методы анализа тепловых режимов.

1.3. Численные методы анализа тепловых режимов.

1.4. Тепловой метод диагностики.

1.5. Постановка задачи.

Глава 2. Диагностика контактных соединений по тепловому полю в области контакта.

2.1. Актуальность задачи.

2.2. Аналитическое решение.

2.3. Численный анализ.

2.4. Модельная задача «шина в оболочке».

2.5. Выбор диагностической модели контактного соединения.

2.6. Моделирование диагностики.

2.7. Опытные исследования.

2.8. Результаты главы.

Глава 3. Тепловые поля ОПН и их диагностика под рабоче напряжением по внешнему тепловому полю. Ц

3.1. Актуальность проблемы. Л

3.2. Математическая модель электротепловых процессов в

ОПН. З^

3.3. Физическое моделирование. Л

3 А. Некоторые результаты моделирования внешнего дефекта. П

3.5. Некоторые результаты моделирования внутреннего дефекта.

3.6. Сравнение с экспериментальными данными.

3.7. Результаты главы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ тепловых полей некоторых элементов электроустановок высокого напряжения применительно к задачам их диагностики»

Тепловой метод диагностики получил широкое распространение в электроэнергетике в связи с развитием технических средств и методов инфракрасной термографии [18].

В практике встречаются задачи, когда объект контроля находится вне зоны измерения. В этом случае приходится прибегать как к контактным методам контроля теплового режима, так и к анализу тепловых полей вне зоны тепловыделяющего дефекта. Для эксплуатации высоковольтного электрооборудования важно определить состояния, например, контактных соединений в необлуживаемых ячейках РУ, некоторых дефектов ОПН. Для решения поставленных задач в диссертации применяется численное моделирование, аналитическое решение задачи теплообмена, экспериментальное исследование.

В электроустановках возможен подогрев по шине контактных соединений (КС) расположенным рядом на этих же шинах оборудованием. Не меньшую проблему представляет собой оценка температуры контактного соединения вне зоны, в которой можно провести измерения.

Традиционно в электроэнергетике применяется модель одного КС на бесконечной шине с одинаковыми параметрами. Такая модель описана ещё в работах Хольма [80] и повторялась многими авторами в последствии [9, 37, 38, 67]. Однако такая модель не позволяет эффективно проводить диагностику в описанном выше современном оборудовании.

В качестве другого примера можно выделить ограничители перенапряжений (ОПН), которые являются сегодня неотъемлемым элементом защиты высоковольтного оборудования. Они выполняют важную роль, защищая дорогостоящие элементы оборудования высокого напряжения от выхода из строя вследствие воздействия перенапряжений. Важность диагностики в эксплуатации ОПН подчёркивалась многими авторами, например, Дмитриевым В. Л. [32], Демьяненко К. Б. [29] и других.

Несмотря на то, что ОПН является легко доступным для обследования объектом, отсутствие достаточно адекватных тепло-электрических моделей ОПН ограничивает возможность и пути улучшения качества их диагностики.

Отсюда можно вывести цель данной работы: получение более совершенных, по сравнению с имеющимися, критериев тепловой диагностики контактных соединений и ОПН на основе математического моделирования физических полей данного оборудования.

Заключение диссертации по теме «Техника высоких напряжений», Сухичев, Михаил Иванович

2.3.3. Выводы.

Проведённое численное моделирование подтвердило, что как одномерное, так и двухмерное численное моделирование с достаточной степенью точности совпадают с аналитическим одномерным решением.

Таким образом использование именно аналитического решения можно порекомендовать для практического использованиям том числе для протяженных участков упрощённые выражения (см. раздел 2.2.12).

2.4. Модельная задача «шина в оболочке».

Решение данной задачи представляет интерес для оценки значений коэффициентов теплообмена закрытой ошиновки.

Заключение

В работе рассмотрена проблема тепловой диагностики контактных соединений и ОПН.

Задача тепловой диагностики контактных соединений актуальна так как сложный, до конца не изученный механизм развития дефектов в КС не позволяет прогнозировать возникновение и развитие дефектов в КС. В тоже время несовершенство современной нормативной базы диагностики КС не позволяет объективно определять состояние КС. Усугубляет проблему направление развития современного электрооборудования, которое делает невозможными некоторые виды и способы традиционной диагностики.

В работе обоснована постановка задачи о диагностики КС как задачи о растекании тепла вдоль шин от нагретого КС; упомянуты известные авторам работы по этой тематике и результаты их решения.

Для понимания процессов при распределении теплового поля вдоль шины от КС было найдено наиболее общее аналитическое решение этой задачи, в том числе с учётом зависимости сопротивления шины от температуры.

Численное решение этой же задачи позволило установить степени влияния на решение задачи принятых в постановке аналитического решения допущений.

Дополнительно было получено численное решение в точности повторяющее аналитическое для подтверждения точности численного метода.

На основании полученного решения задачи обоснован выбор диагностической модели и диагностических признаков и предложена методика диагностики контакта, находящегося вне зоны измерения, по тепловому полю шины.

Так же в работе рассмотрены возможные варианты моделирования, точность и дальность определения дефектного контактных соединений и предложен критерий дефектности контактных соединений в зависимости от параметров среды и шин.

Результаты математического моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями.

Актуальность задачи тепловой диагностики ОПН подтверждает проведённый сравнительный анализ тепловизионного метода и метода на основании измерения токов утечки. Показано, что тепловой метод обладает рядом преимуществ по сравнению с методами измерения токов утечки.

Так же актуальность задачи была подтверждена анализом современных нормативных документов по этой проблематике, который показал недостаточное теоретическое обоснование представлений о тепловых процессах в ОПН.

Отдельно отмечены методы, предлагающие расчёт падения напряжения на варисторах по распределению теплового поля, которые дают приблизительную оценку в следствии неучёта продольного теплового потока в ОПН.

Для определения качественного и количественного влияния дефектов на тепловое поле ОПН, а значит и теоретического обоснования диагностики, была разработана математическая модель ОПН с применением метода конечных элементов.

На основании изложенной математической модели и проведённых экспериментов, было определено, что тепловое поле ОПН в модели отличается от изложенной в нормативных документах характерной, близкой к экспоненциальной формой с более высокой температурой в верхней части аппарата, чем нижней, что можно использовать при практических измерениях.

Расчёты показали принципиальную возможность объективного метода анализа ОПН на основе анализа распределения теплового поля и его характеристик и определение диагностических параметров.

На этом основании предложен качественный диагностический признак для выявления частичного внутреннего или внешнего перекрытия изоляционного корпуса ОПН.

Опыты качественно совпадают с результатами расчёта по математической моделью. Количественное различие скорее всего обусловлено неточными значениями теплофизических характеристик.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сухичев, Михаил Иванович, 2011 год

1. Eric S. Raymond. The Cathedral & the Bazaar. O'Reilly Media, 2001. P. 256.

2. Paez G. Integrable and differentiable approximations to Planck's equation // SPIE. 1998. Vol. 3437. Pp. 371-377.

3. Англоязычный раздел официального сайта компании Land Instruments International об инфракрасных измерениях. URL: http:/ www. landinst . ccm/infrared

4. Аппараты для ограничения перенапряжений в высоковольтных сетях, Под ред. Афанасьева А. И., Богатенкова И. М., Фейзуллае-ва Н. И. Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. С. 164.

5. Афанасьев А. И., Богатенков И. М., Фейзуллаев Н. И. Аппараты для ограничений перенапряжений в высоковольтных сетях, Под ред. Афанасьева А. И. Учебное пособие. СПб: Изд-во СПбГТУ, 2000. С. 164.

6. Афонин А. В., Ньюпорт Р. К., Поляков В. С. и др. Основы инфракрасной термографии, Под ред. Ньюпорта Р. К., Таджибаева А. И. СПб.: ПЭИПК, 2004. С. 240.

7. Афонин А. В., Таджибаев А. И. Инфракрасная термография, Под ред. Таджибаева А. И. СПб.: ПЭИПК, 2009. С. 104.

8. Афонин А. В., Таджибаев А. И., Титков В. В. Излучения в инфракрасном диапазоне и тепловые процессы в материалах, Под ред. Таджибаева А. И. СПб.: ПЭИПК, 2007. С. 120.

9. Беляев В. JI. Особенности работы и конструкций многоамперных электрических аппаратов. Учеб.пособие. СПб.: СЗТУ, 2005. С. 274.

10. Беляков В.В., Малышев A.B., Кривошеев Н.В., Вольфганг К. Маршнер. Мониторинг силовых кабельных линий с адаптацией к условиям окружающей среды в режиме реального времени // Электро. 2008. Т. 5. С. 38^2.

11. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Метод граничных элементов в прикладных науках, Под ред. Гольдштеина Р. В. М.: Издательство «Мир», 1984. С. 494.

12. Блюдников Л. М., Иванова Р. Н., Рудакас П. П. Применение тепловизоров в энергетике. Тепловидение // Межвузовский сб.научн.тр. 1978. Т. 2. С. 162-167.

13. Большая советская энциклопедия., Под ред. Прохорова А. М. 3-е изд. М., «Сов. энциклопедия», 1969-78. Т. 1-30.

14. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел JI. Методы граничных элементов, Под ред. Григолюка Э. И. М.: Издательство «Мир», 1987. С. 524.

15. Власов А. Б. Тепловизионный метод контроля физических параметров высоковольтных вводов // Электротехника. 1994. Т. 4. С. 34-40.

16. Власов А. Б. Диагностическая модель тепловизионного контроля высоковольтных вводов // Электрика. 2004. Т. 2. С. 21-26.

17. Власов А. Б. Факторный анализ результатов тепловизионного контроля высоковольтных вводов с твёрдой изоляцией. // Электротехника. 2005. Т. 2. С. 3-8.

18. Власов А. Б. Модели и методы термографической диагностики объектов энергетики. М.: Колос, 2006. С. 280.

19. ГОСТ 13276-79. Арматура линейная. Общие технические условия.

20. ГОСТ 14312-79. Контакты электрические. Термины и определения.

21. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения.

22. ГОСТ 8024-90. Аппараты и электротехнические устройства переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Нормы нагрева при продолжительном режиме работы и методы испытаний.

23. ГОСТ Р 52725-2007 Ограничители перенапряжений нелинейныедля электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические условия.

24. Гершуни Г. 3., Жуховицкий Е. М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. С. 392.

25. Годжелло А. Г., Панков И. А., Гринберг Р. П. Модель старения неразъёмных алюминиевых контактных соединений // Электротехника. 2002. —2. Т. 2. С. 47-^9.

26. Турин А. В., Малышев А. В., Кривошеев Н. В., Вольфганг К. Марш-нер. Мониторинг технического состояния силовых линий электропередачи с использованием линейных оптических сенсоров (LIOS технологии) // Электро. 2007. Т. 2. С. 38-41.

27. Деклу Ж. Метод конечных элементов, Под ред. Яненко H.H. М.: Издательство «Мир», 1976. С. 96.

28. Демирчян К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л. Теоретические основы электротехники. 4 изд. СПб.: Питер, 2003. Т. 3. С. 377.

29. Демьяненко К. Б. К вопросу о необходимости диагностики ОПН в процессе эксплуатации. // Электро. 2008. Vol. 3. Рр. 43-47.

30. Дзецкер Н. Н., Висленев Ю. С. Многоамперные контактные соединения. Л.: Энергоатомиздат, 1987. С. 128.

31. Дмитриев В. Л. Диагностика ОПН в эксплуатации. Достоверность оценки состояния. // Новости ЭлектроТехники. 2007. Т. 5.

32. URL: http://wwv\me ws.elteh.ru/ar h/2007/ 4//07 php.

33. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике, Под ред. По-бедриБ.Е. М.: Издательство «Мир», 1975. С. 541.

34. Исаев С. И., Кожинов И. А., Кофанов В. И. и др. Теория тепломас-собмена, Под ред. Леонтьева А. И. учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1979. С. 495.

35. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. 3-е, перераб. и доп. изд. М.: Энергия, 1975. С. 488.

36. Карманов В. Г. Математическое программирование. Учеб. пособие. 5-е изд., стереотип, изд. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2004. С. 264.

37. Ким Е. И., Омельченко В. Т., Харин С. Н. Математические модели тепловых процессов в электрических контактах. Алма-ата, «Наука» КазССР, 1977. С. 236.

38. Комаров A.A., Яковлев В.Н. Электрические контакты. Учебно-методическое пособие. Самара: СамИИТ, 2001. С. 51.

39. Константинов А. Г., Осотов В.Н., Фоминых Ю.А. Применение приборов инфракрасной техники для онтроля силового электроэнергетического оборудования//Энергетик. 1993. Т. 12. С. 22-25.

40. Коробейников С.М. Диэлектрические материалы. Учебное пособие. Новосибирск, НГТУ, 2000. С. 67.

41. Криксунов JI.3. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978. С. 400.

42. Кучинский Г. С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения, Под ред. Кучинского Г. С. Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 368.

43. Ландау JI. Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. 5-е изд., стереот. изд. М.: Физматлит, 1987 (2001, 2003 Reprint). Т. VII. С. 264.

44. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. 8-е изд., стереот. изд. М.: Физматлит, 1988 (2001, 2003 Reprint). Т. П. С. 536.

45. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. 5-е изд., стереот. изд. М.: Физматлит, 1988 (2001 Reprint). Т. VI. С. 731.

46. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Ч. I. 5-е изд., стереот. изд. М.: Физматлит, 1995 (2001,2002 Reprint). Т. V. С. 616.

47. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. 4-е изд., стереот. изд. М.: Физматлит, 1995 (2002 Reprint). Т. VIII. С. 656.

48. Малышев А. В., Кривошеев Н. В., Вольфганг К. Маршнер. Мониторинг силовых кабельных линий с системой RTTR и его влияние на оптимизацию пропускной способности кабельной сети // Электро. 2008. Т. 2. С. 22-28.

49. Математический институт Клэя (The Clay Mathematics Institute). Анонс приза за решение задач тысячелетия, web, 2000. — 5. URL: http: / /wm cía yrath. org/mil lennium/.

50. Миркес E. M. Нейроинформатика. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. С. 347.

51. Мышкин Н. К., Кончиц В. В., Браунович М. Электрические контакты. Долгопрудный: Издательский Дом «Интелект», 2008. С. 560.

52. Неклепаев Б. Н., Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справичные материалы для курсового и дипломного проектирования. Учеб. пособие для втузов. 4-е, перераб. и доп. изд. М.: Энергоатомиздат, 1989. С. 608.

53. Неразрушающий контроль: Справочник: в 8 т., Под ред. Клюева В. В. 2-е, испр. изд. М: Машиностроение, 2006. Т. 5. Тепловой контроль. С. 688.

54. Официальный (англоязычный) сайт фирмы Irisys. URL: http: //wwwirisys.c o.uk/.

55. Официальный сайт «АБС ЗЭиМ Автоматизация». URL: http: //www zeim.ru

56. Официальный сайт ООО «СКБ ИКСенсор». URL: http:// iksensor сап/.

57. Официальный сайт компании ИРТИС. URL: http: / /www irtis.ru/.

58. Пахомова И.Ю., Суворинов A.B., Хапаев М.М. Метод граничных элементов расчета ненасыщенных магнитных линз И Известия высших учебных заведений. Математика. 1996. — 9. Т. 40, № 9. С. 37-47.

59. Поляков В. С. Способ дистанционного контроля распредления напряжения на последовательно соединённых элементах высоковольтной установки // А. с. СССР №911345, МКП4 G 01R119/00. 1979. — 05. № А. с. СССР №911345, МКП4 G 01R119/00.

60. Программное обеспечение, реализующее метод конечных элементов. Вики.org/wiki/\T2Acyrt\T2A\cyro1. T2A\cyrr\T2A\1. T2A\cyrch\T2A\cyrh\T2A\cyre1. T2A\cyrm\T2A\1. T2A\cyro\T2A\

61. URL: http: //ru.wi kipedia.1. CYRM\T2A\cyr e\T2A\1. T2A\cyrd\T2 A\cyrg\cyra\T2A\cyrn \T2A\cyri\cyrn\T2A\cyre ry\T2A\ rev\T2A\cyrL\T 2A\cyre\cyre\T2A\cyrn \T2A\cyrt\ cyrv.

62. РД 153-34.0-20.363-99 Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ, 2001.

63. Раздел о тепловизорах фирмы Pergam (поставщик тепловизоров Flir). URL: http://wwv^pe rgam.ru/catalo gl htm

64. Родионов С. А. Основы оптики. Конспект лекций. СПб: СПб ГИТ-МО (ТУ), 2000. С. 167.

65. Российский сайт компании Fluke. URL: http: //шш flüke.ru

66. Русскоязычный сайт о тепловизорах компании NEC Avio Infrared Technologies Co. Ltd. URL: http: //nec-av io. ru

67. Сайт официального представительства компании TESTO в Росии. URL: http: //тт.tes to.ru

68. Сафонов Jl. И., Сафонов А. Л. Электрические прямоугольные соединители. Анализ физических процессов в контактах. // Технологии в электронной промышленности. 2007. Т. 6. С. 54-58.

69. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов, Под ред. ПобедриБ.Е. М.: Издательство «Мир», 1979. С. 392.

70. Сивухин Д. В. Общий курс физики. 2-е, испр. изд. М.: Наука, 1983. Т. Ш. Электричество. С. 687.

71. Сивухин Д. В. Общий курс физики. 3-е, исправленное и дополненное изд. М.: Наука, 1990. Т. П. Термодинамика и молекулярная физика. С. 592.

72. Сивухин Д. В. Общий курс физики. 3-е изд., стереот. изд. М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2005. Т. IV. Оптика. С. 792.

73. Сивухин Д. В. Общий курс физики. 5-е, стереотипное изд. М.: Физматлит, 2006. Т. I. Механика. С. 560.

74. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов, Под ред. МарчукаГ.И. М.: Издательство «Мир», 1977. С. 351.

75. Сухичев М. И. Тепловые режимы высоковольтного электрооборудования и проблемы их диагностики. Магистерская диссертация, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2007.

76. Теория электрических аппаратов, Под ред. Александрова Г. Н. М.:Высшая школа, 1985. С. 312.

77. Титков В. В., Таджибаев А. И. Математические модели и оценка состояния электроустановок на основе анализа температурных пространств. СПб.: ПЭИПК, 2005. С. 76.

78. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. 4 изд. Эдиториал УРСС., 2004. Т. 3: Излучение. Волны. Кванты, из Перевод с английского. С. 240.

79. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. 5 изд. ЛКИ., 2007. Т. 1: Современная наука о природе. Законы механики. 2: Пространство, время, движение, из Перевод с английского. С. 440.

80. Физический энциклопедический словарь, Под ред. Прохоров А. М. М.: Сов. Энциклопедия, 1983 (1995 Reprint). С. 928.

81. Хольм Р. Электрические контакты, пер. с англ. М.: ИЛ, 1961.