Разработка метода определения теплового состояния кабелей в условиях эксплуатации

ВВЕДЕНИЕ 3
Цель работы 5
Задачи исследования 6
Основные положения, выносимые на защиту 7
Научная новизна результатов 7
Теоретическая и практическая значимость 8
1 О ПРОБЛЕМЕ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИЛЫ КАБЕЛЯ В
РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ 10
1.1 Методы расчета теплового состония кабельной линии 11
1.2 Существующие методы теплового мониторинга кабельных линий . 18
2 ДИНАМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ НАГРЕВА В
КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ 21
2.1 Динамические тепловые сопротивления кабельных линий 21
2.2 Практическая реализация метода расчета переходных тепловых
сопротивлений в условиях эксперимента 23
2.3 Применение разработанных методики расчёта и оборудования для
оценки теплового состояния высоковольтного кабеля в условиях эксперимента 29
3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА ТОКОПРОВОДЯЩЕЙ
ЖИЛЫ СИЛОВОГО КАБЕЛЯ ДЛЯ УЧЕТА ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МОНИТОРИНГЕ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 31
3.1 Электротепловая модель нагрева силового кабеля 33
3.2 Реализация электротепловой модели в среде «labview» 36
4 УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
ТОКОПРОВОДЯЩЕЙ ЖИЛЫ В СОЕДИНЕНИИ СИЛОВОГО КАБЕЛЯ 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 48
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ 56

Купить

Развитие электроэнергетического комплекса страны является ключевым фактором надёжного обеспечения экономики и социальной сферы страны в электрической энергии. Потребление электроэнергии показывает рост, и отрасли необходимо успешно справляться с новыми объектами. С 2016 по 2023 год в России введено в эксплуатацию 45 ГВт новых генерирующих мощностей, 165 тысяч МВА трансформаторных мощностей и 250 тысяч километров линий электропередач. Для повышения надёжности необходимо уменьшение потерь в электрических сетях, а также общего количества перерывов в передаче электроэнергии, так как они наносят существенный экономический и социальный ущерб. Вследствие этого развитие экономического потенциала страны, требует модернизации и строительства новых магистральных и распределительных сетей, а также необходима технологическая модернизация инфраструктуры электросетевого комплекса, и внедрение в неё интеллектуальных систем мониторинга.
Линии электропередачи выполняют ключевую роль в электроэнергетическом комплексе, так как являются основным способом передачи электроэнергии от электростанций к потребителям. Строительство новых магистральных и распределительных сетей неизбежно влечет увеличение площадей, занимаемых электрическими сетями. В условиях плотной городской застройки, возрастающей стоимости земельных участков, ограничений, связанных с охранными и заповедными зонами, данная проблема становится критической, особенно для крупных городов и мегаполисов. Например, в Москве зона отвода земель под ВЛЭП составляет уже почти 2000 га [1]. Развитие электрических сетей обязано соответствовать требованию уменьшения площади подлежащих изъятию для нового строительства земельных угодий и общей площади охранных зон линии электропередачи [2]. Использование подземных кабельных линий электропередач (КЛ), взамен воздушных линий электропередач является решением этих проблем. КЛ обладают рядом преимуществ по сравнению с воздушными линиями 3
электропередачи. Они обеспечивают более высокую надежность электроснабжения, так как кабель является более защищенным от внешних воздействий, таких как ветер, дождь, снег и т.д. Кроме того, КЛЭП позволяют более эффективно использовать земельные ресурсы, что особенно важно в городах и промышленных зонах, где земля является ограниченным ресурсом. В Европе считается, что чем больше доля КЛ, тем надежнее электроснабжение [3]. Вследствие этого, сетевые компании при проектировании перспективных станций и сетей снабжения потребителей, отдают предпочтение КЛ. КЛ составляют основу городских электрических сетей, и всё увеличивают долю присутствия в магистральных электрических сетях.
При длительной эксплуатации кабеля неизбежен процесс старения его изоляции. Вследствие этого уменьшается электрическая прочность изоляции. Хотя гарантийный срок службы КЛ учитывает режимные факторы, зачастую время до пробоя изоляции не превышает 30 лет. Особое влияние на процесс старения оказывает температурный режим [4]. Фактор влияния тепловой составляющей в комплексе частичными разрядами и процессами естественной коррозии приводят к ускорению старения изоляции [5]. При повышении температуры усиливаются химические реакции между изоляционным материалом, его внутренними включениями, средой и влагой. Вследствие этого нагрева уменьшается КПД кабельной линии и происходит тепловое старения изоляции. Основным источником тепловыделения в силовом кабеле является токопроводящая жила. Именно её температура, ограничивает пропускную способность высоковольтного кабеля. При этом прямое измерение температуры жилы в процессе эксплуатации высоковольтного кабеля, на данный момент, технически невозможно, и получая информацию только о температуре экрана, невозможно точно оценить тепловое состояние всей системы. Поэтому определение действительной температуры токопроводящей жилы в режиме реального времени остается актуальной задачей.
Оценка температуры нагрева жилы кабеля методами непрямого измерения требует применения математических моделей, описывающих тепловые процессы в кабеле. Эти модели позволят проводить расчёт нагрева жилы в реальном времени
Большая часть повреждений кабельных линий происходят по причине выхода из строя соединительных и концевых муфт. Муфту пробивает напряжение из-за теплового износа, вследствие высокого переходного сопротивления в соединении двух жил или жилы с шиной. Особенно актуальна данная проблема для городских сетей, где большая часть коммуникаций проложена в виде силовых кабелей и имеются посторонние источники нагрева (теплотрассы). [6]. Количество поврежденных кабелей в среднем растёт. Следовательно, тепловая диагностика муфт в режиме реального времени, так же крайне важна для нормальной работы электросетей. Она позволит выводить оборудование без аварийных отключений потребителей. И даст исчерпывающую информацию о состоянии муфты.
Однако необходимо видеть температуру в центре муфты, при этом, не нарушая целостность её изоляции. То есть датчик должен встраиваться в центр муфты во время монтажа и далее работать, передавая информацию бесконтактно.
Настоящая работа посвящена разработке новой методики расчёта теплового состояния кабеля с любым видом изоляции и температуры его токопроводящей жилы в частности, основываясь да данных о температуре внешнего слоя КЛ и тока нагрузки кабеля в условиях эксплуатации, а также мониторинг температуры соединительной муфты, как самого нагретого участка КЛ.
Цель работы
Решение проблемы реализации диагностики и мониторинга состояния силовой части и изоляции высоковольтных кабельных линий в реальном времени при помощи решения двух следующих вопросов:
1. Создание математической модели - определение переходного теплового сопротивления участка силового кабеля и разработка математической модели, основанной на разложении динамического теплового сопротивления КЛ на сумму экспоненциальных составляющих и позволяющей реализовать расчет мгновенных значений температуры нагрева токопроводящей жилы кабеля в реальном времени при незначительных объемах вычислений на интервале дискретизации расчета.
2. Создание датчика температуры кабельных муфт - создание диодного датчика мониторинга температуры, встраиваемого на токоведущие части концевых и соединительных муфт, техниченской задачей которого является мониторирование температуры нагрева токопроводящей жилы в соединении силового кабеля в режиме реального времени.
Задачи исследования
1. На основании экспериментальных исследований и опыта эксплуатации силовых кабелей классифицировать особенности теплового нагрева в соединительных и концевых муфтах
2. Разработать инженерные методы постоянного теплового мониторинга для силовых кабелей
3. Подтвердить эффективность предлагаемых методов тепловой диагностики экспериментальным исследованием и моделированием
4. Внедрить предлагаемые решения в системы диагностики силовых кабельных линий
В процессе разработки методики были выполнены следующие задачи:
• Анализ самых распространённых методов расчёта тепловой нагрузки кабельной линии. Выделение их сильных и слабых сторон.
• Определены проблемы теплового учета и особенности моделирования электротепловых процессов нагрева в силовых кабелях.
• Обзор существующих систем мониторинга теплового состояния кабельных линий
• Разработка методики расчёта температуры токоведущей жилы кабельной линии в режиме реального времени
• Постановка и проведение эксперимента на образцах высоковольтных силовых кабелей классом напряжения 10 и 6 кВ, с целью проверки полученной методики
• Разработка экспериментального образца устройства для измерения температуры соединительной гильзы муфты кабельной линии и расчета температурного состояния элементов её конструкции
Основные положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель и методика расчета теплового поля кабелей в условиях испытаний и эксплуатации.
2. Математический алгоритм расчёта теплового поля высоковольтного и сверхвысоковольтного кабеля в реальном времени методом переходных тепловых сопротивлений.
3. Устройство измерения температуры токопроводящей жилы в соединении силового кабеля.
Научная новизна результатов
1. Предложен комплексный диагностический метод анализа теплового состояния, на основе нового подхода к определению температуры нагрева внутренних слоёв и элементов и устройств посредством расчета мгновенных значений температуры нагрева жилы кабеля на основе применения динамического теплового сопротивления «жила-среда» с предварительным его разложением на сумму экспоненциальных составляющих, отличающегося малым объемом вычислений на расчетном временном интервале.
2. Разработана математическая модель, способная определять мгновенные значения температуры нагрева жилы и слоев изоляции кабеля в реальном времени с быстродействием, заведомо превышающим частоту изменения электрических потерь во всех возможных режимах работы.
3. Разработано испытательное устройство измерения температуры токопроводящей жилы в соединении силового кабеля, задачей которого является мониторирование теплового режима соединительной муфты, в режиме реального времени и передача данных для обработки.
4. Предложен комплексный методика онлайн мониторинга теплового режима кабельных линий объединяющий метод анализа теплового состояния, математическую модель и устройство прямого измерения температуры.
5. На основе экспериментальных исследований получены корректные временные зависимости температуры конструкционных элементов полноразмерных образцов кабелей на напряжение 6 и 10 кВ при циклической нагрузке.
Теоретическая и практическая значимость
1. Полученная математическая модель и методика позволяют с высокой точностью и скоростью выполнять расчёт теплового состояния кабеля с любой изоляцией
2. Использование в расчёте температурных зависимостей теплофизических свойств конкретных изоляционных и электропроводящих материалов, применяемых при производстве высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей, увеличивает точность вычислений теплового поля во всех режимах эксплуатации КЛ.
3. Разработанное на основе математической модели и методики программное обеспечение позволяет в режиме реального времени производить расчёт температурного поля кабелей, основываясь на данных о токовой нагрузке и температуре поверхностного слоя.
4. Разработанное устройство позволяет во время проведения испытаний в автоматическом режиме получать данные о температуре соединительных муфт
5. Применение стандартных интерфейсов и протоколов передачи данных позволяет использовать разработанное оборудование и программное обеспечение с широким кругом контрольно-измерительных приборов, которые применяются при проведении испытаний кабелей, а также на высоковольтных подстанциях при контроле состояния КЛ.

Купить