Тема: Разработка системы дистанционной оценки технического состояния высоковольтных масляных выключателей

Степень износа мощностей в электроэнергетической отрасли составляет около 65 %. Наибольший износ приходится на сегмент распределительных сетей, порядка 70%. Вместе с тем, продолжает расти спрос на электрическую энергию. Отечественное коммутационное оборудование подстанций требует модернизации. На фоне ограниченных возможностей в финансировании отрасли, появляется задача оптимизации расходов на капитальные вложения при реконструкции действующих электроустановок.
Большое число оборудования в распределительных сетях относится к высоковольтным выключателям. На подстанциях распределительных сетей могут применяться, в зависимости от схемы распределительного устройства высокого напряжения от двух до пяти выключателей - для распределительных сетей 35 - 100 кВ.
Существенное влияние на функционирование подстанций распределительных сетей оказывают высоковольтные выключатели. Высоковольтные выключатели предназначены для коммутации цепей в различных режимах: нормальном и аварийном. При этом для проведения коммутации может использоваться как ручное управление, так и автоматическое и дистанционное.
В России находятся в эксплуатации около 30000 выключателей, рассчитанных на напряжение 110-750 кВ. Распределение общего количества парка высоковольтных выключателей по классам напряжения составляет 110кВ - 80,5 %; 220 кВ - 15,2 %. Около 50 % установленных выключателей - масляные баковые выключатели 110, 220 кВ; маломасляные выключатели 110, 220 кВ составляют 24,3 %. Число воздушных выключателей составляет 18,6 % общего числа установленных выключателей.
Более 40% от общего числа выключателей, находящихся в эксплуатации, уже отработали свой нормативный ресурс.
При этом в настоящее время наблюдается переход к использованию более современных высоковольтных выключателей с вакуумными дугогасительными камерами и дугогасительными камерами, в которых в качестве дугогасительной среды используется шести фтористая сера SF6 (элегаз). Большинство научных работ связанных с исследованиями режимов работы коммутационных аппаратов связаны с исследованиями либо вакуумных, либо элегазовых высоковольтных выключателей. Однако, учитывая тот факт, что в распределительных сетях в настоящее время эксплуатируется большое количество маломасляных выключателей, в том числе и на напряжениях 35 кВ и 110 кВ, то выбранная тематика выпускной квалификационной работы актуальна. Также актуальность работы связана с тем, что не на всех подстанциях требуется установка именно современных вакуумных или элегазовых выключателей. В первую очередь это связано со стоимостью покупки и замены высоковольтных выключателей. Подстанции, которые существенно удалены от крупных источников генерации и не питающие высокомощные нагрузки не требуют высокой отключающей способности от выключателей, поэтому целесообразно, при проведении реконструкций выполнять замену коммутационных аппаратов на тех центрах питания, где ресурс высоковольтных выключателей исчерпан, либо требуется высокая отключающая способность выключателей.
Исходя из этого, необходимо разработать систему контроля технического состояния высоковольтного маломасляного выключателя, которая позволит существенно упростить эксплуатацию данных выключателей, а также позволит снизить затраты предприятий, обслуживающих распределительные подстанции с установленными маломасляными выключателями. Кроме того, предлагаемые технические решения должны обеспечить повышение ресурса работы высоковольтных маломасляных выключателей.
В настоящее время оценку технического состояния высоковольтного оборудования, в том числе, высоковольтных выключателей в большинстве случаем оценивают при проведении периодических осмотров. Такой подход принято характеризовать как реактивный подход в обслуживании оборудования. Также эксплуатационные службы распределительных сетей ведут постоянный контроль коммутационных операций. Данные по коммутационным операциям используются для анализа остаточного ресурса. Для контроля коммутационного ресурса также могут использоваться микропроцессорные блоки релейной защиты и автоматики выключателей, однако данный подход к оценке технического ресурса высоковольтных выключателей также характеризуется как реактивный подход.
Современный подход к оценке технического состояния высоковольтного оборудования принято называть предиктивным. Предиктивный подход характеризуется как подход по определению технического состояния по данным систем мониторинга. Данный подход не требует проведения периодических осмотров оборудования с целью контроля его технического состояния. Визуальный осмотр должен выполняться только в экстренных ситуациях, по данным системы мониторинга.
Кроме того, важной особенностью применения предиктивного подхода является использование моделей оценки текущего и прогнозного технических состояний оборудования, которые могут складываться из статистических методов анализа данных или использования технологий искусственного интеллекта.
Исходя из выбранной тематики и определения актуальности темы необходимо сформулировать цель и задачи выпускной квалификационной работы (магистерской диссертации).
Цель работы - повышение эффективности оценки технического состояния маломасляных выключателей 110 кВ на подстанциях распределительных сетей за счет внедрения технологии дистанционного контроля параметров выключателя, для снижения рисков отказа выключателя в момент коммутации.
В соответствии с указанной целью необходимо решить следующие задачи:
- анализ использования высоковольтных маломасляных
выключателей в распределительных сетях;
- исследование особенностей режимов работы высоковольтных выключателей для определения параметров подлежащих контролю системой дистанционной оценки технического состояния;
- анализ существующих подходов в определении технического состояния высоковольтных выключателей;
- разработки и тестирование алгоритма дистанционного контроля технического состояния высоковольтного маломасляного выключателя ВМТ-110Б.
В рамках проводимых исследований рассматривается высоковольтный маломасляный выключатель марки ВМТ-110Б. Данный выключатель используется на подстанциях распределительных сетей с классом напряжения 110 кВ. Несмотря на то, что в настоящее время широкое распространение получили высоковольтные выключатели, в которых в качестве дугогасительной среды используется шести фтористая сера (элегаз) или вакуум, маломасляные выключатели на напряжение 110 кВ широко распространены.
Объектом исследования является высоковольтный маломасляный выключатель напряжением 110 кВ марки ВМТ-110Б.
Предметом исследования является влияние переходных процессов при коммутациях высоковольтного маломасляного выключателя марки ВМТ-110Б на его техническое состояние.
Методы исследования, применяемые в рамках выполнения выпускной квалификационной работы: анализ, синтез, инженерные расчеты,
компьютерное моделирование.
Практическая значимость работы заключается в разработке системы дистанционного контроля технического состояния высоковольтного маломасляного выключателя типа ВМТ-110Б.
В основе анализа научных работ лежат материалы всероссийских и международных научно-практических конференций, фундаментальные и прикладные научные статьи, отечественных и зарубежных ученых.
Базовые аспекты функционирования маслонаполненного коммутационного оборудования и его развития опубликованы в работах [2] и [11]. Подходы и методики оценки технического состояния высоковольтного оборудования, изученные при выполнении выпускной квалификационной работы представлены в [6], [13], [25] [19], [12], [16]. Один из современных подходов к оценке технического состояния масляных выключателей представлен в работе [24], где предлагается проведение оценки технического состояния маслонаполненного оборудования выполнять на основе анализа рентгенографических изображений. В работе [15] представлены результаты разработки программного алгоритма для оценки остаточного ресурса высоковольтных коммутационных аппаратов, а в работе [32] представлены результаты исследования по определению и подбору оборудования и разработке алгоритма для раннего определения возникающих дефектов в высоковольтных выключателях. Актуальность исследования дополнительно подкрепляется [18], где официальный разработчик и производитель выключателей серии ВМТ предлагает реализовать технические мероприятия по снижению риска отказа маломасляного выключателя серии ВМТ. Также в работе [7] предлагаются технические мероприятия, которые требуется выполнить в рамках проведения капитального ремонта выключателей серии ВМТ. Основным условием выполнения указанных технических мероприятий это их проведение в заводских условиях. Оценивая дату публикаций [18] и [7] задачи, поставленные в рамках исследования и выполнения выпускной квалификационной работы, имеют высокую актуальность. За рубежом похожие исследования опубликованы в [37], [38] и [39]. 

Купить

В рамках выполнения выпускной квалификационной работы выполнены исследования, результаты которых, использованы для разработки системы дистанционной оценки технического состояния высоковольтных
выключателей серии ВМТ на напряжение 110 кВ.
В рамках выполнения первой задачи выпускной квалификационной работы получены следующие результаты.
Установлено, что в Самарских распределительных сетях большая часть эксплуатируемых в настоящее время высоковольтных выключателей на напряжение 35 - 110 кВ являются выключателями с жидкой средой гашения дуги.
Получено значение численного состава оборудования - высоковольтных выключателей с жидкой средой гашения дуги равное 142 шт. Из всего парка эксплуатируемых выключателей с жидкой средой гашения дуги 11 шт. относятся к выключателям серии ВМТ, определенных как объект исследования.
В результате проведенного анализа исходного набора данных по высоковольтным выключателям Самарских распределительных сетей установлено, что только четыре выключателя из 142-х эксплуатируются сроком до 20 лет. Все остальные выключатели с жидкой средой гашения дуги существенно превысили свой эксплуатационный ресурс равный 25 годам.
В рамках проведенного исследования по составу коммутационного оборудования Самарских распределительных сетей предложено использовать дополнительные технические средства по оценки текущего и прогнозного технического состояния высоковольтных выключателей серии ВМТ для снижения риска внезапного отказа выключателя.
Исследованы различные конструкции камер гашения дуги, используемые в высоковольтных выключателях с жидкой средой.
Определены аналитические зависимости позволяющие определять базовые параметры функционирования высоковольтных выключателей с жидкой средой гашения дуги. К таким параметрам отнесено давление внутри камеры гашения дуги, а также время восстановления электрической прочности промежутка между контактами выключателя после размыкания.
Результаты первого раздела выпускной квалификационной работы позволили достичь решения первой задачи выпускной квалификационной работы согласно перечню задач, определенных во введении. Полученные результаты необходимо использовать для решения следующих задач и достижения цели выпускной квалификационной работы.
В рамках решения второй задачи выпускной квалификационной работы рассмотрен метод оценки технического состояния высоковольтного выключателя с жидкой средой гашения дуги, основанный на контроле изменения массы контактов выключателя. Оценка технического состояния в данном подходе позволяет не только контролировать износ контактов высоковольтного выключателя, но и определять уровень примесей в жидком диэлектрике, а следовательно, контролировать сопротивление жидкого диэлектрика, вязкость жидкого диэлектрика и время гашения дуги. Данный метод может быть реализован для удаленного контроля технического состояния с использованием средств измерения тока, проходящего через выключатель. При этом время горения и гашения дуги в КГД высоковольтного выключателя оценивается по осциллограмме записанной для момента коммутации устройством мониторинга.
Для группы методов контроля индекса и коэффициента технического состояния высоковольтного выключателя установлено, что индекс технического состояния позволяет определить только общий износ выключателя или конкретного узла в рамках его жизненного цикла. Индекс технического состояния не позволяет контролировать и оценивать состояние высоковольтного выключателя в режиме реального времени. Методика оценки коэффициента текущего технического состояния позволяет определять износ оборудования или отдельных его узлов в периоде цикла между ремонтами оборудования. После каждого ремонта оборудования коэффициент принимает значение равное 1. Применение методики, основанной на определении коэффициента технического состояния, требует создания экспертной системы [36] и не может быть выполнено в рамках выполнения выпускной квалификационной работы.
Проанализированы методы позволяющие определить расход коммутационного ресурса высоковольтного выключателя. Проанализировано три базовых метода, которые позволяют с различной степенью достоверности оценить необходимость вывода выключателя в ремонт, проведение обслуживания или замены выключателя.
Анализ методов расчета остаточного коммутационного ресурса позволил установить, что все методы используют только значения коммутируемых токов. Все рассмотренные методы должны применяться с учетом конкретного типа высоковольтного выключателя. Отсутствуют универсальные методы оценки коммутационного ресурса выключателя. Наиболее универсальный метод - метод Неклепаева Б.Н.-Востросаблина А.А. не требует наличия в паспорте выключателя специализированных характеристик, описывающих коммутационный ресурс в зависимости от коммутируемых токов, однако требует уточнения постоянных коэффициентов, характеризующих типа выключателя. Определение этих постоянных коэффициентов требует проведения дополнительных исследований, в том числе, с проведением натурных испытаний высоковольтного выключателя серии ВМТ. Исходя их этого, данный метод не может быть принят в качестве базового для разработки системы дистанционной оценки технического состояния объекта выпускной квалификационной работы.
Проанализированы представленные на рынке Российской Федерации коммерческие системы оценки технического состояния высоковольтных выключателей.
Установлено, что на рынке, в настоящее время представлены два схожих по характеристикам прибора: ПКВ/М7 и ПКВ/У3. Рассмотренные приборы позволяют проводить оценку параметров высоковольтных выключателей любого типа и класса напряжения. Они позволяют оценивать полное техническое состояние выключателя. Однако особенностью данных приборов является проведение тестирования только отключенного, т.е. выведенного из работы выключателя. Поэтому приборы ПКВ/М7 и ПКВ/У3 не могут являться прямыми аналогами разрабатываемой в рамках выпускной квалификационной системы дистанционной оценки технического состояния.
Проведенный анализ рынка доступных систем мониторинга высоковольтных выключателей позволил определить, что на рынке присутствует компания «Димрус», которая занимается производством систем мониторинга и диагностики энергетического оборудования.
Анализ номенклатуры производимой компанией «Димрус» продукции позволил определить 4 системы, которые могут быть использованы для коммутационного оборудования.
Анализ характеристик систем, производимых компанией «Димрус» размещенных в электронном каталоге, позволил установить, что в номенклатуре производимой продукции отсутствуют прямые аналоги разрабатываемой в рамках выпускной квалификационной работы системы.
Все системы, производимые компанией «Димрус» не позволяют вести дистанционную оценку технического состояния высоковольтных выключателей класса напряжения 110 кВ с жидкой средой гашения дуги.
Системы компании «Димрус» позволяют оценивать параметры работы выключателей максимальным классом напряжения 6-10 кВ, при этом объект исследования является выключателем класса напряжения 110 кВ.
Проведенный анализ рынка систем оценки технического состояния позволил дополнительно подтвердить высокую актуальность проводимого в рамках выпускной квалификационной работы исследования.
Разработан алгоритм дистанционной оценки технического состояния высоковольтного выключателя серии ВМТ на напряжение 110 кВ по расходу коммутационного ресурса при операциях включения и отключения выключателя.
Разработан алгоритм позволяющий вести дистанционный контроль избыточного давления в куполе выключателя серии ВМТ. Алгоритм позволяет выдавать предупреждения и предлагать возможные варианты возникших в выключателе ВМТ повреждений.
Разработана концепция программного продукта позволяющего вести дистанционную оценку и проводить контроль технического состояния высоковольтного выключателя серии ВМТ.
Для тестирования разработанного алгоритма дистанционной оценки технического состояния высоковольтного выключателя серии ВМТ на напряжение 110 кВ по расходу коммутационного ресурса при операциях включения и отключения выключателя создана компьютерная модель алгоритма в программном комплексе MATLAB/Simulink.
Разработана тестовая однофазная модель для верификации результатов работы алгоритма дистанционной оценки технического состояния высоковольтного выключателя серии ВМТ на напряжение 110 кВ по расходу коммутационного ресурса.
По результатам тестирования установлено, что при коммутации токов выше 5000 А, происходит резкое снижение коммутационного ресурса выключателя. Коммутация тока 418 кВ полностью истрачивает коммутационный ресурс выключателя. Отключение тока 17 кА, наиболее близкого по значению к номинальному току отключения выключателя ВМТ также резко снижает коммутационный ресурс.

Купить