Підвищення ефективності експлуатації високовольтних вводів за рахунок зниження технічних ризиків

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.14.02 – Електричні станції, мережі і системи (141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України, Харків, 2021. Дисертація присвячена розв’язанню актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності експлуатації високовольтних вводів за рахунок зниження технічних ризиків шляхом удосконалення методів і критеріїв оцінки технічного стану високовольтних вводів в умовах тривалої експлуатації. Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення методів і критеріїв оцінки технічного стану високовольтних вводів в умовах тривалої експлуатації, підвищення ефективності системи оцінки технічного стану та обґрунтованості прийняття рішень щодо їх подальшої експлуатації. Відповідно до поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: – на основі аналізу літературних джерел встановити напрямки дослідження підвищення ефективності експлуатації високовольтних вводів під час тривалої експлуатації; – виконати аналіз чинників, що впливають на значення показників ізоляції високовольтних вводів протягом тривалої експлуатації; – проаналізувати закони розподілу показників ізоляції для високовольтних вводів, що мають різний стан; – розробити метод для визначення гранично допустимих значень показників ізоляції високовольтних вводів, який дозволить врахувати вплив конструкції вводів, строки та режими експлуатації; – проаналізувати вплив режимів та терміну експлуатації справних вводів, а також ймовірності виникнення дефектів та їх "важкість" на гранично допустимі значення показників ізоляції високовольтних вводів; – виконати аналіз характеру залежностей показників ізоляції від тривалості експлуатації для високовольтних вводів з різним станом та розробити метод для раннього прогнозування несправностей високовольтних вводів на основі аналізу динаміки зміни показників у часі; – удосконалити метод безперервного контролю внутрішньої ізоляції конденсаторного типу високовольтних вводів та розробити пристрій для безперервного контролю внутрішньої ізоляції конденсаторного типу. Об’єкт дослідження – процеси зміни стану високовольтних маслонаповнених вводів протягом тривалої експлуатації в електричних мережах України. Предмет дослідження – показники та характеристики ізоляції високовольтних вводів в умовах тривалої експлуатації з урахуванням конструкції та режимів роботи електричних мереж. Методи дослідження. Для вирішення поставлених у дисертації задач застосовані такі методи проведення досліджень: інтегральне і диференціальне числення; методи теорії ймовірності; методи математичної статистики; теорія ризику і моделювання ризикових рішень; методи аналізу часових рядів; чисельні методи рішень нелінійних алгебраїчних рівнянь; метод експериментального дослідження; методи теорії електричних ланцюгів. Наукова новизна отриманих у дисертації результатів полягає у наступному: – отримав подальший розвиток метод оцінки впливу експлуатаційних чинників на інтенсивність старіння ізоляції, який відрізняється від існуючих урахуванням струму завантаження та складу споживачів, що дозволяє підвищити достовірність оцінки стану високовольтних вводів шляхом коригування гранично допустимих значень показників; – вперше науково обґрунтовано, що значення показників ізоляції в справних та дефектних вводах можуть бути описані розподілом Вейбула, при цьому математичні очікування показників справних високовольтних вводів зміщуються в область більш високих значень зі зростанням завантаження вводів, а функції щільності розподілів показників для дефектного та справного стану перетинаються, що робить неможливим визначення гранично допустимих значень показників, використання яких не призводить до хибних рішень під час експлуатації; – вперше запропоновано метод визначення гранично допустимих значень показників ізоляції високовольтних вводів в якому гранично допустимі значення показників визначаються за рахунок мінімізації функції середнього ризику з урахуванням розподілу значень показників для справного та дефектного стану, а також особливостей конструкції вводів та режимів їх експлуатації, що забезпечує мінімум можливих збитків в разі прийняття хибних рішень. Встановлено, що отримані гранично допустимі значення показників забезпечують значення ризику в 1,5–33 рази менші в порівнянні з гранично допустимими значеннями, регламентованими чинним в Україні стандартом, і в 1,1–13 разів менші, ніж гранично допустимі значення, отримані методом інтегральних функцій; – вперше науково обґрунтовано, що розвиток дефектів у високовольтних вводах може призвести не тільки до зміни значень показників ізоляції, але і до зміни характеру залежностей показників від тривалості експлуатації, а поява статистично значущої систематичної складової в залежностях показників від тривалості експлуатації є свідченням наявності дефекту, навіть якщо значення показників не перевищують гранично допустимої величини, що дозволяє виявляти несправності вводів на ранній стадії їх розвитку; – знайшов подальший розвиток метод безперервного контролю стану внутрішньої ізоляції, який відрізняються від існуючих тим, що для контролю стану ізоляції високовольтних вводів виконується оцінка не тільки значень струму витоку та тангенса кута діелектричних втрат, але й зміни втрат активної потужності, що дозволяє виявляти дефекти на ранній стадії. Практична цінність отриманих у дисертації результатів полягає у наступному: – розроблена методика статистичної обробки результатів періодичних випробувань використовується в науковій діяльності кафедри передачі електроенергії НТУ "ХПІ" при дослідженні процесів старіння ізоляції високовольтного обладнання електричних мереж; – алгоритмічно розроблені та програмно реалізовані окремі модулі інформаційно-аналітичної системи "СИРЕНА", яка на теперішній час розробляється на кафедрі "Передача електричної енергії" НТУ "ХПІ", що реалізують метод для визначення гранично допустимих значень показників ізоляції високовольтних вводів, а також метод раннього прогнозування стану високовольтних вводів; – розроблено структурну та принципову схему функціонування пристрою безперервного контролю для вимірювання діелектричних параметрів внутрішньої ізоляції конденсаторного типу в маслонаповненому високовольтному обладнанні; – розроблено алгоритм способу контролю діелектричних характеристик внутрішньої ізоляції конденсаторного типу під робочою напругою для забезпечення роботи пристрою безперервного контролю; – виготовлено дослідний зразок пристрою безперервного контролю електричних параметрів внутрішньої ізоляції конденсаторного типу в маслонаповненому високовольтному обладнанні як елемент АСК ТП ПС для впровадження на ПС "Артема-330 кВ" Північної електроенергетичної системи НЕК "Укренерго» для контролю під робочою напругою вводів 110 кВ і 330 кВ трифазного силового автотрансформатора; – результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі передачи електричної енергії НТУ "ХПІ" – в лекційних курсах "Математичні задачи енергетики", "Математичні основи технічної діагностики", "Основи експлуатації об’єктів електроенергетичних систем". Дисертаційна робота виконана відповідно до наукових напрямків досліджень кафедри передачі електричної енергії Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором при виконанні досліджень за держбюджетними НДР МОН України: "Розробка системи безперервного контролю внутрішньої ізоляції обладнання об’єктів електричних систем" (DPN 0100U001673), "Розробка теоретичних засад створення інформаційно-діагностичного комплексу для оцінювання стану об’єктів електроенергетичної системи" (DPN 0106U001490), в них здобувач була відповідальним виконавцем та виконавцем окремих етапів.Thesis for a Candidate degree in Technical Sciences, specialty 05.14.02 – "Power plants, networks and systems" (141 - Power engineering, electrical engineering and electromechanics). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the decision of a problem of increase of efficiency of operation of high - voltage bushings at the expense of reduction of technical risks by perfection of methods and criteria of an estimation of a technical condition of high - voltage bushings in the conditions of long operation. The purpose and objectives of the study. The purpose of the dissertation is to improve the methods and criteria for assessing the technical condition of high-voltage bushings in terms of long-term operation, increase the efficiency of the system for assessing the technical condition and the validity of decisions on their further operation. In accordance with the goal it is necessary to solve the following tasks: – on the basis of the analysis of literature sources to establish directions of research of increase of efficiency of operation of high-voltage bushings during long operation; – perform an analysis of factors influencing the value of insulation of highvoltage bushings during long-term operation; – to analyze the laws of distribution of insulation indicators for high-voltage bushings with different state; – to develop a method for determining the maximum allowable values of insulation of high-voltage bushings, which will take into account the impact of the design of inputs, timing and modes of operation; – to analyze the influence of modes and service life of serviceable inputs, as well as the probability of defects and their "severity" on the maximum allowable values of insulation of high-voltage bushings; – to analyze the nature of the dependences of insulation indicators on the duration of operation for high-voltage bushings with different state and to develop a method for early prediction of faults of high-voltage bushings based on the analysis of the dynamics of changes over time; – to improve the method of continuous control of internal insulation of capacitor type of high-voltage bushings and to develop a device for continuous control of internal insulation of capacitor type. The object of research is the processes of changing the state of high-voltage oilfilled bushings during long-term operation in the electrical networks of Ukraine. The subject of research is indicators and characteristics of insulation of highvoltage bushings in the conditions of long operation taking into account a construction and operating modes of electric networks. Research methods. To solve the problems set in the dissertation, the following research methods are used: integral and differential calculus; methods of probability theory; methods of mathematical statistics; risk theory and modeling of risk decisions; methods of time series analysis; numerical methods for solving nonlinear algebraic equations; method of experimental research; methods of electric circuit theory. The scientific novelty of the results obtained in the dissertation is as follows: – the method of estimating the influence of operational factors on the intensity of insulation aging has been further developed, which differs from the existing ones taking into account the load current and consumer composition, which allows to increase the reliability of high-voltage bushings by adjusting the maximum allowable values; - for the first time it is scientifically substantiated that the values of insulation indicators in serviceable and defective bushings can be described by Weibull distribution while mathematical expectations of indicators of serviceable high-voltage bushings shift to higher values with increasing input load, which makes it impossible to determine the maximum allowable values of indicators, the use of which does not lead to erroneous decisions during operation; – for the first time a method of determining the maximum permissible values of insulation of high-voltage bushings in which the maximum permissible values of indicators are determined by minimizing the function of medium risk taking into account the distribution of values for good and defective condition, as well as design features losses in case of making wrong decisions. It is established that the obtained maximum permissible values of indicators provide risk values 1.5–33 times lower in comparison with the maximum permissible values regulated by the current standard in Ukraine, and 1.1–13 times lower than the maximum permissible values obtained by the method of integrated functions; – for the first time it is scientifically substantiated that the development of defects in high-voltage bushings can lead not only to changes in the values of insulation, but also to changes in the nature of dependences on service life, and the appearance of a statistically significant systematic component if the values of the indicators do not exceed the maximum allowable value, which allows to detect malfunctions of inputs at an early stage of their development; – further developed a method of continuous monitoring of the internal insulation, which differs from the existing in that to monitor the insulation of high-voltage bushings is evaluated not only the values of leakage current and tangent of the dielectric loss angle, but also changes in active power losses, which allows to detect defects stage. The practical value of the results obtained in the dissertation is as follows: – the developed technique of statistical processing of results of periodic tests is used in scientific activity of chair of transfer of the electric power of NTU "KhPI" at research of processes of aging of isolation of the high-voltage equipment of electric networks; – algorithmically developed and programmatically implemented separate modules of information-analytical system "SIRENA", which is currently being developed at the Department of "Electricity Transmission" NTU "KhPI", implementing a method for determining the maximum allowable values of insulation of high-voltage bushings, as well as the method of early forecasting the state of high-voltage bushings; – a prototype of a device for continuous monitoring of electrical parameters of the internal insulation of the capacitor type in oil-filled high-voltage equipment as an element of automatic process control system substation for implementation on the substation "Artema-330 kV" Northern power system NEC "Ukrenergo" for control under operating voltage three-phase power autotransformer; – the results of the dissertation are used in the educational process at the Department of Electricity Transmission of NTU "KhPI" - in lecture courses "Mathematical problems of energy", "Mathematical foundations of technical diagnostics", "Fundamentals of operation of power systems". The dissertation is performed in accordance with the research areas of the Department of Electricity Transmission of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". The main scientific results of the dissertation were obtained by the author during the research on state budget research of the Ministry of Education and Science of Ukraine: "Development of a system of continuous control of internal insulation of equipment of electrical systems" (DPN 0100U001673), "Development of theoretical bases for the creation of an information and diagnostic complex for assessing the condition of power system facilities" (DPN 0106U001490), in which the applicant was a responsible executor and executor of individual stages.