05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/17000
Переглянути
Документ Розвиток методів контролю технічного стану електричної ізоляції за параметрами ємності та тангенса кута діелектричних втрат(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Костюков, Іван ОлександровичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023 р. Дисертацію присвячено розвитку методів контролю технічного стану електричної ізоляції електроенергетичного та телекомунікаційного обладнання за параметрами її електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат за рахунок зменшення впливу паразитних індуктивних та ємнісних параметрів досліджуваних об’єктів контролю на результати вимірювання а також вдосконалення алгоритмів обробки кривих струму та напруги і числових рядів результатів вимірювань. В дисертації розроблено модифікацію кореляційного методу вимірювання фазового зсуву, що дозволило збільшити завадостійкість розрахунку тангенса кута діелектричних втрат в діапазоні значень від 0º до 45º. Розроблено метод вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат трьох-жильних силових кабелів з паперовою імпрегнованою ізоляцією. Розроблений метод передбачає резистивно-ємнісне заземлення досліджуваного фазного шару ізоляції із наступним вимірюванням напруги на досліджуваному шарі ізоляції та між однією із жил кабелю та його заземленою оболонкою для формування системи рівнянь, вирішення якої дозволяє визначити невідомі значення ємності та тангенса кута діелектричних втрат. Також в дисертації проаналізовано специфічні особливості часових рядів та амплітудних спектрів результатів вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат екранованих та неекранованих телекомунікаційних кабелів на основі витих пар, наведено схемотехнічні рішення по побудові елементів вимірювачів електричної ємності, побудованих на застосуванні перетворювачів напруги в струм, розроблено метод вимірювання паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю для їх аперіодичного режиму розряду.Документ Розвиток методів контролю технічного стану електричної ізоляції за параметрами ємності та тангенса кута діелектричних втрат(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Костюков, Іван ОлександровичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут». Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми розвитку методів контролю технічного стану електричної ізоляції за параметрами її електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат шляхом зменшення впливу паразитних параметрів досліджуваного шару ізоляції на результати вимірювання, оцінювання величини паразитних параметрів ємнісних об’єктів контролю а також підвищення завадостійкості вимірювань за рахунок вдосконалення алгоритмів обробки кривих струму та напруги на досліджуваному об’єкті контролю. Науково-технічна проблема контролю технічного стану електричної ізоляції електроенергетичного обладнання, в першу чергу, зумовлена необхідністю забезпечення надійного енергопостачання об’єктів інфраструктури та побутових споживачів. Внаслідок багатьох техніко-економічних факторів, що ускладнюють його заміну на аналогічне устаткування із не зістареною під дією експлуатаційних факторів ізоляцією, значна кількість обладнання використовується в енергосистемах вже після закінчення нормативного строку експлуатації. Так, згідно із відомими статистичними даними майже 45% кабельних мереж знаходяться в експлуатації більше 30 років. З точки зору інформативності щодо ступеню старіння ізоляції та, відповідно, актуальності свого подальшого розвитку, значний інтерес становлять класичні методи контролю за параметрами електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат (tgδ). Зазначена актуальність застосування зазначених параметрів ізоляції в задачах контролю її технічного стану зумовлена їх значним впливом на показники якості діелектриків, отримані шляхом використання інших, поширених на практиці, методів контролю. Так, електрична ємність визначається поляризаційними процесами в ізоляційному матеріалі і тому значною мірою впливає на діагностичні параметри, отримані із застосуванням таких абсорбційних методів контролю, як метод відновлюваної напруги, а також при визначенні якості діелектричних матеріалів шляхом застосування коефіцієнтів (абсорбції та індексу поляризації), що характеризують швидкість зміни струму через діелектрик при подачі на нього постійної напруги. Крім того, в багатьох випадках значення електричної ємності використовується в якості допоміжного параметру при розрахунку tgδ. В той же час, значення tgδ ізоляції є чутливим до рівня її часткових розрядів, ступеню зволоження та теплового старіння а також демонструє значну кореляцію із механічними властивостями діелектриків. Для багатьох поширених на практиці ємнісних об’єктів контролю визначення електричної ємності та tgδ суттєво ускладнені внаслідок небажаного впливу їх паразитних ємнісних та індуктивних параметрів на результати вимірювань, а також через недоліки існуючих алгоритмів цифрової обробки кривих струму та напруги, що застосовуються при розрахунку параметрів діелектрика. Вирішення викликаної цими недоліками проблеми розвитку методів контролю електричної ізоляції за параметрами електричної ємності та tgδ визначило напрямок дисертаційного дослідження. Робота виконана на кафедрі електроізоляційної та кабельної техніки НТУ «ХПІ». Здобувач брав участь в дослідженнях, проведених за науково-дослідними темами: «Дослідження ефективності технологічного контролю кабельно-провідникової продукції в умовах діючого виробництва з метою створення бази даних технологічного контролю і впровадження методів контролю для забезпечення гарантованого рівня бездефектності продукції», (ПАО «Завод «Південкабель», м. Харків), та «Проведення аналітичних досліджень та розроблення науково-обґрунтованих пропозицій щодо визначення суттєвих експлуатаційних характеристик, порогових рівнів, класів та системи або систем оцінки та перевірки стабільності показників будівельної продукції категорії «Силові, контрольні кабелі і кабелі зв’язку» на замовлення Міністерства розвитку громад та територій України відповідно до наказу Мінрегіону від 09.04.2021 № 89, в яких здобувач був виконавцем окремих етапів, а також при виконанні теми №: 0122U001297 «Застосування фізичного та математичного моделювання для підвищення стійкості авіаційно-космічної техніки та об'єктів критичної інфраструктури до дії потужних електромагнітних впливів». Метою дисертаційної роботи є теоретичний розвиток та вдосконалення методів контролю технічного стану ізоляції ємнісних об’єктів контролю за параметрами їх електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат. Для досягнення мети в роботі поставлені задачі: – на основі аналізу сучасного етапу розвитку приладів та методів контролю технічного стану ізоляції електроенергетичного та телекомунікаційного обладнання сформулювати основні проблеми, що ускладнюють практичне застосування існуючих методів контролю та визначити напрямки їх вирішення; – розробити метод визначення паразитної індуктивності ємнісного об’єкта контролю шляхом аналізу кривих струму для випадку аперіодичного режиму розряду об’єкта контролю; – розробити завадостійку модифікацію кореляційного методу вимірювання фазового зсуву для визначення тангенса кута діелектричних втрат об’єктів контролю із зниженим рівнем добротності; – визначити складові дисперсії результатів вимірювання індивідуальних значень часткових ємностей шарів ізоляції в трьохжильних силових кабелях у спільній металевій оболонці із застосуванням сукупних вимірювань; – розробити метод визначення електричної ємності та tgδ шарів міжфазної ізоляції трьохжильних силових кабелів у спільній металевій оболонці на основі резистивно-ємнісного заземлення досліджуваного шару діелектрика; – адаптувати розроблений для трьохжильних силових кабелів в спільній металевій оболонці та заснований на резистивно-ємнісному заземленні досліджуваного шару ізоляції метод визначення електричної ємності та tgδ для ємнісних об’єктів контролю із трьома електродами; – проаналізувати характерні особливості часових рядів результатів вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат ізоляції кабелів на основі витих пар. Об'єктом дослідження є процес взаємодії діелектриків із електричним полем, що дозволяє сформувати чутливі до ступеня старіння діелектрика діагностичні параметри. Предмет дослідження – методи та прилади контролю технічного стану електричної ізоляції на основі значень її електричної ємності та tgδ. При розробці модифікованого кореляційного методу вимірювання фазового зсуву використовувались статистичні методи та методи теорії цифрової обробки сигналів. Визначення параметрів ізоляції досліджуваних зразків силових та телекомунікаційних кабелів проводилось із застосуванням результатів теорії фізики діелектриків, спектральних методів та методів регресійного аналізу. Розробка методу визначення паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю для випадку їх аперіодичного режиму розряду проведена на основі використання теорії лінійних електричних ланцюгів. Наукова новизна отриманих результатів: – вперше обґрунтовано підвищення завадостійкості визначення фазового зсуву між гармонічними сигналами струму та напруги із компонентами сторонніх шумів шляхом визначення декількох скалярних добутків досліджуваних сигналів із допоміжними тригонометричними функціями, значення частот яких дозволяють відокремлювати внесок ортогональних тригонометричних складових в розраховані частотні залежності скалярного добутку, завдяки чому розроблена модифікація кореляційного методу визначення фазового зсуву, що дає можливість збільшити завадостійкість визначення тангенсу кута діелектричних втрат для ємнісних об’єктів контролю із зниженим рівнем добротності; – вперше визначена умова відсутності фазового зсуву між кривими падіння напруги на резистивно заземленому досліджуваному шарі фазної ізоляції трьохжильного силового кабелю та заземлюючому резисторі, що дає можливість розробити метод визначення часткових ємностей та відповідних значень тангенса кута діелектричних втрат шарів фазної ізоляції; – вперше визначена умова ортогональності напруги на ємності та паразитній індуктивності ємнісного об’єкта контролю для його аперіодичного режиму розряду, що дало можливість розробити метод вимірювання паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю; – дістали подальшого розвитку способи обстеження трьохжильних силових кабелів при визначенні індивідуальних параметрів їх ізоляції на основі застосування сукупних вимірювань. Розроблена схема обстеження передбачає резистивно-ємнісне заземлення досліджуваного шару ізоляції та дозволяє спростити процедуру контролю у порівнянні із традиційними для кабельної техніки схемами обстеження, що використовуються при визначенні параметрів ізоляції шляхом застосування сукупних вимірювань; – дістали подальшого розвитку засновані на використанні сукупних вимірювань методи визначення tgδ ізоляції трьохжильних силових кабелів, завдяки аналітичному вирішенню сформованої на основі теорії неоднорідних діелектриків системи лінійних алгебраїчних рівнянь відносно невідомих значень tgδ, що дало можливість спростити процедуру контролю параметрів ізоляції за рахунок відмови від застосування чисельних методів. Практичне значення отриманих результатів для електроізоляційної та кабельної техніки полягає в розробці модифікованого кореляційного методу вимірювання фазового зсуву, застосування якого дає можливість збільшити завадостійкість визначення tgδ для об’єктів контролю з незначним рівнем добротності. Розробці методу визначення індивідуальних параметрів ізоляції трьохжильних силових кабелів без застосування сукупних вимірювань та адаптації розробленого методу для ємнісних об’єктів контролю із 3 електродами. Формулюванні особливостей числових рядів результатів вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат. Основні результати роботи впроваджені: – ТОВ «ООВ «Сертатом» (м. Харків) – для визначення індивідуальних значень електричної ємності та tgδ ізоляції трьохжильних силових кабелів в спільній металевій оболонці; – ДП «Завод «Електроважмаш» (м. Харків) та Українська асоціація «Укрелектрокабель» (м. Київ) – для аналізу часових рядів результатів вимірювання електричної ємності та tgδ; – технічному комітеті № 131 «Електроізоляційна та кабельна техніка» Держспоживстандарту України (м. Харків) – при гармонізації Європейських та Українських стандартів в галузі електроізоляційної та кабельної техніки. Положення і результати, що виносяться на захист дисертаційної роботи, отримані здобувачем особисто. Серед них: розробка модифікованого кореляційного методу вимірювання фазового зсуву для збільшення завадостійкості визначення tgδ об’єктів контролю з низьким рівнем добротності, розробка методу вимірювання паразитної індуктивності ємнісного об’єкту контролю при його аперіодичному розряді, аналіз отриманих результатів, розробка методу вимірювання параметрів фазної ізоляції трьохжильних силових кабелів з паперовою ізоляцією, моделювання впливу паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю на результати вимірювання їх електричної ємності та tgδ. Основні наукові результати та положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та були схвалені на: 26, 27 та 28 Міжнародних конференціях «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я» (м. Харків, 2018 р, 2019 р, 2021 р), III Міжнародній науково-технічній конференції «Енергоефективність та енергетична безпека електроенергетичних систем» (м. Харків, 2019 р.), Міжнародному симпозіумі «Проблеми електроенергетики, електротехніки та електромеханіки» (SIEMA) (м. Харків, 2020 р, 2022 р.), та на Міжнародних конференціях, збірники статей яких проіндексовані в наукометричній базі SCOPUS: Second International Conference on Emerging Electrical Energy, Electronics and Computing Technologies (ICERCT), (м. Малакка, 2020 р.), Second International Conference on Robotics, Electrical and Signal Processing Techniques (ICREST), (м. Дака, 2021 р.), I та III міжнародних конференціях IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) (м. Харків, 2020 р, 2022 р.). Основний зміст дисертації відображено у 34 наукових публікаціях, з них: 26 статей у періодичних виданнях, з яких 10 у виданнях, внесених до наукометричних баз SCOPUS та/або Web of Science, 16 статей в наукових фахових виданнях України, 8 в збірниках матеріалів конференцій, з яких 4 індексовані в наукометричній базі SCOPUS. В першому розділі дисертаційної роботи на основі критичного аналізу фізичних моделей старіння електричної ізоляції під дією несприятливих експлуатаційних факторів, найбільш розповсюджених методів контролю ізоляції силових кабелів шляхом застосування імпульсів високої напруги, вимірювання рівня часткових розрядів, абсорбційних методів контролю, вимірювання її електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат а також методів теорії цифрової обробки сигналів, що використовуються як при аналізі числових рядів отриманих результатів вимірювання так і безпосередньо у системах вимірювання ємності та тангенса кута діелектричних втрат сформульовано основні задачі дисертаційного дослідження. В другому розділі на прикладі аналізу числових рядів результатів вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат показано, що фізична інтерпретація отриманих результатів шляхом аналізу діаграм С-tgδ може бути ускладнена внаслідок одночасного зростання цих параметрів, що суперечить функціональній залежності між цими параметрами електричної ізоляції для випадку застосування паралельної схеми заміщення досліджуваного ємнісного об’єкта контролю з діелектричними втратами. Враховуючи зазначені складнощі, з метою ідентифікації наявності прихованих коливань в отриманих результатах запропоновано проводити спектральний аналіз числових рядів. На прикладі гармонічних сигналів розроблено методику інтервального оцінювання частоти таких прихованих коливань, що дозволяє зменшити вплив розтікання спектру сигналів на точність оцінювання їх параметрів. Проведено спектральний аналіз числових рядів результатів вимірювання тангенса кута діелектричних втрат та показано, що застосування запропонованого вибору частот допоміжних тригонометричних функцій за якими розкладається досліджуваний сигнал дозволяє вдвічі збільшити роздільну здатність перетворення Фур’є без традиційного доповнення досліджуваної числової послідовності нулями та вдвічі зменшити кількість необхідних розрахунків, за рахунок відмови від розкладання досліджуваного сигналу із застосуванням повної системи ортогональних тригонометричних функцій. В третьому розділі з метою підвищення завадостійкості вимірювань тангенса кута діелектричних втрат для об’єктів контролю із відносно невисоким рівнем добротності розроблено модифікацію кореляційного методу вимірювання фазового зсуву. Розроблена модифікація передбачає необхідність розрахунків декількох скалярних добутків досліджуваних сигналів струму та напруги із допоміжними тригонометричними функціями. Результати порівняльного аналізу завадостійкості показали, що у порівнянні із традиційним кореляційним методом вимірювання фазового зсуву розроблена модифікація дозволила підвищити завадостійкість вимірювання фазового зсуву між кривими струму та напруги та, відповідно, тангенса кута діелектричних втрат в діапазоні значень від 0º до 45º. В той же час, в діапазоні від 45º до 90º класичний кореляційний метод вимірювання фазового зсуву має вищий рівень завадостійкості у порівнянні із його розробленою модифікацією. В четвертому розділі проаналізовано особливості вимірювання індивідуальних параметрів діелектриків кожного з шарів ізоляції в трьохжильних силових кабелях з паперовою імпрегнованою ізоляцією. Показана можливість існування кореляційних зв’язків між результатами вимірювань сукупних значень електричної ємності, що були отримані при застосуванні різних способів з’єднання електропровідних елементів конструкції силового кабелю. Проаналізовано складові дисперсії результатів вимірювання часткових ємностей ізоляції трьохжильних силових кабелів та отримано формули для прямого розрахунку значень тангенса кута діелектричних втрат із застосуванням сукупних вимірювань. В п’ятому розділі на основі модифікованих схем з’єднання електропровідних елементів конструкції трьохжильного силового кабелю в спільній металевій оболонці, розроблено методику вимірювання електричної ємності та tgδ кожного з шарів його ізоляції. Розроблена модифікація існуючих схем обстеження передбачає резистивне, або резистивно-ємнісне заземлення досліджуваного шару ізоляції. Визначення невідомих параметрів ізоляції проводиться шляхом регулювання величини електричного опору, через який заземлено досліджуваний ізоляційних прошарок, до моменту нульового фазового зсуву між напругою на досліджуваному шарі ізоляції та на його заземлюючих елементах із наступним вимірюванням цих напруг. В шостому розділі для вимірювальної схеми на основі перетворювача напруги в струм та фазового детектору проведено теоретичний аналіз впливу паразитної індуктивності досліджуваного ємнісного об’єкта контролю на результати вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат, наведено рішення щодо розробки схем для зсуву фази гармонічних сигналів на 90º, розроблено методику оцінювання паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю для їх аперіодичного режиму розряду.