Оценка технического состояния электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам излучаемого им электромагнитного поля

На правах рукописи

СИЛИН Николай Витальевич

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО

СПЕКТРАЛЬНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ИЗЛУЧАЕМОГО ИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Специальность: 05.09.05 « Теоретическая электротехника »

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В.Куйбышева)», г. Владивосток

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор, Киншт Николай Владимирович,

ИАПУ ДВО РАН

Официальные оппоненты: действ. чл. АЭН РФ, доктор технических наук,

Алпатов Михаил Евгеньевич

доктор технических наук,

Таджибаев Алексей Ибрагимович

доктор технических наук,

профессор, Титков Василий Васильевич

Ведущая организация: Филиал ОАО «ФСК ЕЭС» Приморское

предприятие магистральных электрических

сетей (г. Владивосток)

Защита состоится июня 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.16 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, главное здание, ауд. 284.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан_____________________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук Журавлева Н.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Интенсивное использование разнообразных электротехнических устройств, в частности - высоковольтных установок, во многих сферах жизни и деятельности человека характеризуется рядом особенностей, а именно, повышенной ответственностью выполняемых функций и высокой ценой отказа. Эти обстоятельства вынуждают уделять повышенное внимание обеспечению таких качественных показателей функционирования электротехнических устройств, как надежность, безопасность, отказоустойчивость.

Поиск компромисса между желанием снизить ущерб от аварийных ситуаций за счет обеспечения надежности работы электроэнергетического оборудования и потребностью в уменьшении величины среднегодовых затрат на поддержание его в работоспособном состоянии с требуемым уровнем надежности становится особенно актуальным.

Значимость задач обеспечения энергетической безопасности, а также оптимизации и повышения эффективности технологического процесса выработки и распределения электрической энергии, нашло в нашей стране отражение в Федеральном законе «О техническом регулировании», в принятой Правительством РФ «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», в концепции диагностики электротехнического оборудования подстанций и линии передачи электрических сетей ОАО «ФСК ЕЭС » и в некоторых других директивных документах.

Основным принципом новых технологий управления техническим состоянием электроэнергетического оборудования является обеспечение надежности функционирования электроэнергетических объектов, предусматривающее контроль и оценку технического состояния без вмешательства в технологический процесс. Получение информации как о наличии дефекта, так и о динамике его развития на ранних стадиях этих процессов позволяет повысить эффективность процедуры контроля и технического диагностирования электротехнического оборудования. С учетом результатов такого контроля испытания, определенные нормативным документом «Объём и нормы испытаний электрооборудования » РД 34.45-51.300-97, можно проводить по мере необходимости и в том объеме, который позволяет определить ресурс работоспособности оборудования. На практике периодичность межремонтного контроля в основном устанавливается техническим руководителем электроэнергетического предприятия с учётом условий и опыта эксплуатации, технического состояния и срока службы электрооборудования.

С 1993 года началось активное обсуждение проблем непрерывного контроля на сессиях СИГРЭ, где представители крупнейших энергосистем мира представили свои технические предложения по «On-line мониторингу». С 1995 года эти проблемы были в центре внимания ряда международных симпозиумов и конференций, где в результате обмена опытом специалисты разных стран пришли к выводу о необходимости разработки новых систем непрерывного контроля и диагностики.

Разнообразие методов и средств, предназначенных для этих целей, требуют глубоких теоретических и экспериментальных исследований, анализа полученных результатов, сравнения их эффективности, выработки рекомендаций по выбору наиболее целесообразного комплекса контрольно-диагностических мероприятий. Работы в этом направлении интенсивно велись в научной школе академика К.С. Демирчяна и нашли отражение в работах Ю.П. Аксенова, Б.А. Алексеева, М.Е. Алпатова, А.В. Бондаренко, П.А. Бутырина, В.П. Вдовико, Л.В. Данилова, В.Ф. Дмитрикова, Н.В. Киншта, Н.В. Коровкина, Г.С. Кучинского, М.Ю. Львова, А.Е. Монастырского, А.Г. Овсянникова, В.Н. Осотова, Г.В. Попова, Г.Е. Пухова, В.А. Савельева, В.В. Соколова, А.И. Таджибаева, М.А. Шакирова и др. Среди зарубежных ученых, работающих в этом направлении, следует выделить R. Aggarwal, E. Lemke, J. Harley, A. Vilson.

Мероприятия по разработке методов текущего контроля могут быть реализованы только на основе использования богатого материала в области теоретической электротехники. Известно, что в настоящее время в области теоретической электротехники накоплен большой запас знаний об электрофизических процессах, полученных в ходе теоретических и экспериментальных исследований в конкретных электротехнических, электроэнергетических и электрофизических устройствах и системах.

Для высоковольтного электроэнергетического оборудования (ВВЭО) проблема контроля и технического диагностирования стоит особенно остро из-за большой ответственности выполняемых им функций. Успех ее решения во многом зависит от выбора контролируемых параметров, умения предсказать возможный момент отказа на основании анализа числовых критериев. При разработке методов текущего контроля наиболее перспективными считаются методы, основанные на возможности ранней диагностики. Однако их перечень в настоящее время крайне ограничен. Существенное влияние на эффективность методов оказывает наличие возможности их технической реализации, широкого использования стандартных метрических средств, простоты обслуживания.

Таким образом, разработка универсальных и простых методов контроля и технического диагностирования ВВЭО под рабочим напряжением является весьма актуальной.

Диссертационная работа является развитием важных научных направлений теоретической электротехники и посвящена разработке методов контроля и технического диагностирования электротехнических устройств на примере высоковольтного оборудования.

Целью диссертационной работы является разработка метода оценки технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам излучаемого им электромагнитного поля, позволяющего осуществлять текущий контроль и выявлять дефекты на ранней стадии их появления и развития.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач.

1. Разработка основных положений электромагнитного способа оценки технического состояния высоковольтного оборудования на основе регистрации и анализа спектров его собственного электромагнитного излучения (ЭМИ).
2. Разработка методики регистрации спектров ЭМИ и методических указаний по техническому диагностированию высоковольтного оборудования, находящегося под рабочим напряжением.
3. Разработка численных критериев оценки технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования на основе анализа спектров его собственного электромагнитного излучения.
4. Проведение натурных испытаний на электроэнергетических объектах с целью подтверждения правомерности основных положений электромагнитного способа ранней диагностики высоковольтного оборудования.
5. Разработка принципов информационно-технического обеспечения электромагнитного способа ранней диагностики ВВЭО.
6. Разработка принципов формирования архивов и базы данных спектров собственного ЭМИ ВВЭО.

Методы исследования. Основу методологии работы составляют положения теоретической электротехники и радиотехники, теории шумов, техники высоких напряжений, методы математической обработки результатов, методы цифровой обработки сигналов, методы создания архивов и баз данных, а также натурные эксперименты.

Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использованы:

- фундаментальные положения теоретической электротехники, изложенные в трудах Л.Р. Неймана, К.С. Демирчяна, П.А. Бутырина, П.Н. Матханова;

- базовые положения техники высоких напряжений, изложенные в трудах М.В.Костенко, Г.Н. Александрова, Н.Н. Тиходеева;

- принципы диагностики высоковольтного электроэнергетического оборудования, построенные на анализе электромагнитных излучений, развиваемые в трудах Н.В. Киншта, М.А. Каца, Н.В. Коровкина;

- методы расчета электромагнитных полей с помощью теории аналоговых цепных схем, рассмотренные в трудах В.М. Юринова, А.И. Инкина;

- базовые положения теории антенн, изложенные в трудах Г.З. Айзенберга, Д.И. Воскресенского, Г.Н. Кочержевского;

- основы теории электромагнитных шумов, представленные в трудах Ван дер Зила, В.Л. Лосева,

- теория частичных разрядов, изложенная в трудах Г.И. Сканави, П.М. Сви, Г.С. Кучинского, А.Е. Монастырского;

- принципы новой технологии управления техническим состоянием электроэнергетических объектов, рассмотренные в трудах Н.Н. Тиходеева, О.В. Абрамова, Б.В. Ефимова.

- опыт комплексной диагностики высоковольтного оборудования, содержащийся в работах А.Г. Овсянникова, В.В. Соколова, Б.А. Алексеева, М.Е. Алпатова, А.И. Таджибаева.

Объектом исследования является высоковольтное электротехническое оборудование различных классов напряжения как вводимое в работу (с целью паспортизации), так и находящееся в эксплуатации. Первоочередное внимание следует обращать на оборудование, отслужившее гарантийный срок и для которого рекомендуется учащенный контроль под рабочим напряжением. Тщательному контролю подлежат наиболее ответственные единицы электроэнергетического оборудования, такие, как силовые трансформаторы, трансформаторы тока и напряжения, реакторы.

Предметом исследования являются собственные электромагнитные излучения высоковольтного электроэнергетического оборудования, а именно, его спектральные характеристики, в том числе интегральные мощности квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах энергетических спектров излучений.

Научная новизна. К основным научным результатам, которые получены лично автором, включены в диссертацию и представляются к защите, относятся следующие положения:

1. Базовые принципы контроля электротехнического оборудования на основе анализа спектров его собственного электромагнитного излучения.
2. Закономерности спектрального состава собственного электромагнитного излучения высоковольтного оборудования и анализ его излучающих свойств.
3. Методика определения информативных частотных диапазонов, в пределах которых можно эффективно проводить контроль оборудования под рабочим напряжением.
4. Методика регистрации спектров собственного электромагнитного излучения вблизи электротехнического оборудования и рекомендации по формированию мобильных и стационарных информационно-измерительных комплексов.
5. Базовая диагностическая информация о спектрах электромагнитного излучения при наличии в высоковольтном оборудовании дефектов термоэлектрического характера.
6. Методика оценки технического состояния высоковольтного оборудования под рабочим напряжением на основе анализа спектров собственного электромагнитного излучения.
7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов распространения электромагнитных полей на территориях открытых электроэнергетических объектов, а также рекомендации по выбору частотных диапазонов и размещению измерительных комплексов.
8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов распространения электромагнитных полей в закрытых распределительных устройствах.
9. Критерии оценки технического состояния, позволяющие осуществлять контроль действующего электротехнического оборудования на основании анализа различных характеристик спектров электромагнитного излучения.
10. Принципы формирования архива и базы данных спектров собственного электромагнитного излучения высоковольтного оборудования.
11. Результаты эффективного многолетнего электромагнитного контроля высоковольтного оборудования на подстанциях Дальнего Востока.

Преимущества и практическая ценность разработанного способа контроля ВВЭО определяются следующими его особенностями:

1. Контроль осуществляется дистанционно, под рабочим напряжением, без вмешательства в технологический процесс.
2. Собственное электромагнитное излучение передает информацию о состоянии оборудования непрерывно, его регистрацию можно осуществлять в любое время года.
3. Не требуется разрабатывать специальные устройства по измерению и анализу спектров.
4. Контроль оборудования осуществляется с обеспечением условий электробезопасности.
5. Незначительные финансовые затраты.
6. Дефект фиксируется на ранней стадии его появления и развития.
7. Чувствительность способа к дефектам значительно превышает чувствительность известных методов контроля.

Таким образом, полученные в диссертационной работе результаты дают основание рекомендовать к практическому применению способ оценки технического состояния электротехнического оборудования, позволяющий:

• осуществлять текущий контроль технического состояния высоковольтного оборудования, выявляя факт появления и развития дефектов на ранней стадии;
• проводить ранжирование однотипного оборудования под рабочим напряжением;
• оценивать степень опасности развития дефектов;
• повысить эффективность диагностики ВВЭО под рабочим напряжением, своевременно указывать на необходимость комплексного обследования;
• проводить паспортизацию оборудования перед вводом его в эксплуатацию.

Достоверность результатов. Изложенные в диссертационной работе научные положения, полученные результаты и выводы достоверны. Достоверность обеспечивается

• применением фундаментальных законов и методов теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории антенн, методов вычислительной математики;
• сравнением результатов контроля с данными, полученными с помощью известных методов комплексной диагностики высоковольтного электроэнергетического оборудования;
• сравнением результатов расчета распределения электромагнитного поля на электроэнергетическом объекте с экспериментальными данными;
• широким обсуждением основных результатов работы на семинарах кафедры ТОЭ Дальневосточного государственного технического университета, лаборатории электрофизики и электроэнергетики института автоматики и процессов управления ДВО РАН, кафедры ТОЭ Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, кафедры ТОЭ Московского энергетического института, на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на шести Международных, а также семи Российских симпозиумах и конференциях. В том числе на IV, V, VI, VII Международных симпозиумах «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург 2001,2003,2005, 2007 гг.), Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Вроцлав, 2000), Международном симпозиуме «Евроэлектромагнетизм» (Магдебург, 2004), Международном симпозиуме «Прогресс в электромагнитных исследованиях» (Пиза, 2004), Международной конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2002), на I, II, III всероссийских научно-технических конференциях с международным участием “Энергетика: управление, качество и эффективность исследование энергоресурсов” (Благовещенск, 2001, 2003, 2005), Международной конференции «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России» (Санкт-Петербург, 2002).

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 33 печатных работах, в том числе в 19 статьях ( из них 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК), 13 научных докладах, 1 патенте.

Личное участие автора в проведении исследований и полученных результатах

На всех этапах выполнения научно-исследовательской работы и получения результатов, приведенных в диссертации, личное участие соискателя выражалось в разработке базовых излучающих моделей высоковольтного оборудования, постановке и решении задач излучения и распространения электромагнитного поля на реальном электроэнергетическом объекте, создании методики регистрации спектров электромагнитного излучения, разработке методики оценки технического состояния оборудования по спектрам излучаемого им электромагнитного поля, экспериментальном обследовании спектрального состава электромагнитного поля на действующих подстанциях «Дальневосточная», «Чугуевка-2», Порт Восточный, Приморская и других, разработке принципов формирования информационно-измерительных комплексов и баз данных спектров электромагнитного излучения.

Реализация исследований и предложения об использовании. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование на ряде электрических станций и подстанций. Разработанные научные положения, способы, методики, программы могут быть полезны специалистам, занимающихся эксплуатацией и диагностикой ВВЭО.

Кроме того, результаты диссертационной работы могут быть использованы при:

- пересмотре устаревшей и разработке новой нормативно-методической документации по вопросам диагностики;

- модернизации и замене применяемых технических средств и методов, а также расширении перечня параметров, контролируемых под рабочим напряжением;

- разработке типовых проектов автоматизированных систем мониторинга по единым техническим требованиям для всех видов высоковольтного оборудования;

- разработке средств и методик ведения единых баз данных, содержащих результаты диагностики на всех уровнях управления;