Совершенствование методов селективного контроля сопротивления изоляции сетей оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций

Актуальность проблемы. Надежность работы основного оборудования электрических станций и подстанций во многом зависит от источников и сети оперативного постоянного тока [1,2]. Однако, за последние годы вопросы управления и эксплуатации систем оперативного постоянного тока на энергообъектах не получили какого либо заметного развития [3].

Сети оперативного постоянного тока (СОПТ), особенно на ТЭС и АЭС, характеризуются значительными разветвленностью и протяженностью кабельных линий, что обусловливает относительно частую их повреждаемость. Одним из наиболее часто возникающих видов дефектов во вторичных цепях является снижение сопротивления изоляции полюсов относительно «земли» [4−7] из-за увлажнения изоляции или механического повреждения. Анализ повреждений и отказов в СОПТ показывает, что снижение сопротивления изоляции в сетях управления, сигнализации и питания оперативного постоянного тока наблюдается в среднем один раз в 10−15 дней. Снижение сопротивления изоляции или замыкание на «землю» одного полюса в сетях оперативного тока может привести к ложной работе устройств защиты и автоматики и увеличивает вероятность возникновения короткого замыкания [5,7−15]. Так, например, повреждение изоляции контрольного кабеля привело в октябре 1991 г. на Чернобыльской АЭС к несанкционированному включению в сеть остановленного турбогенератора мощностью 1000 МВт и последовавшему за этим пожару на энергоблоке [16].

Возможность возникновения короткого замыкания и симметричного по полюсам снижения сопротивления изоляции в сетях оперативного постоянного тока подтверждается результатами исследований работы вторичных цепей на ряде электрических станций. За 28 месяцев наблюдения было зарегистрировано три случая короткого замыкания и снижение сопротивления изоляции одновременно на двух полюсах.

Сказанное выше свидетельствует о том, что штатные устройства контроля сопротивления изоляции сетей постоянного тока (УКИСПТ), реализующие мостовой метод, не всегда работают надежно и в ряде случаев не реагируют как на однополюсные, так и двухполюсные повреждения и снижения сопротивления изоляции. Причинами низкой эффективности работы устройств контроля является их нечувствительность к симметричному снижению сопротивления изоляции на обоих полюсах и зависимость фактической уставки срабатывания устройств от переходного сопротивления в месте дефекта и от уровня снижения сопротивления изоляции всей сети [17].

Кроме того, устройства контроля сопротивления изоляции, предусмотренные типовым решением, осуществляют контроль только общего сопротивления изоляции сети. В этих условиях поиск поврежденного присоединения становится трудоемкой процедурой. Этот поиск выполняется оперативным персоналом путем последовательного переключения отдельных присоединений с одной системы шин на другую до исчезновения предупредительного сигнала о появлении «земли» в цепях оперативного тока на одной из систем шин [5]. Определение места с пониженным сопротивлением изоляции или ее повреждением производится отключением участков поврежденного присоединения и последующей проверкой их изоляции мегаомметром. В это время часть потребителей оперативного тока отключается от источников питания, что может вызвать отказ или ложную работу устройств РЗ и А. Из-за высокой разветвленности сетей оперативного постоянного тока процесс поиска затягивается на многие часы и даже сутки [18] и требует выполнения многочисленных коммутаций в цепях оперативного тока. Это повышает опасность ошибочных действий персонала и возникновения аварийных ситуаций. Последнее обстоятельство становится еще более значимым учитывая тенденцию роста количества аварий и отказов в работе электроэнергетического оборудования, вызванных неправильными действиями оперативного персонала [8,19], тем более, что ошибочные действия персонала приводят к наиболее тяжелым последствиям [20, 21].

Устройства контроля сопротивления изоляции и поиска места повреждения призваны упростить и ускорить процесс определения места дефекта. Из анализа существующих разработок следует, что ни одно из предложенных к настоящему времени решений не свободно от тех или иных существенных недостатков, препятствующих их широкому применению. Причины низкой эффективности работы существующих устройств обусловлены недостатками методов и принципов, заложенных в основу их работы.

Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности работ по совершенствованию методов и устройств контроля сопротивления изоляции сетей оперативного постоянного тока и определения места ее повреждения.

Работа выполнялась по гранту Минобразования РФ конкурса 1997 г по фундаментальным исследованиям в области энергетики и электротехники при МЭИ 28 Гр-98 по теме: «Разработка и внедрение методов и комплекса устройств контроля и диагностирования электрооборудования собственных нужд ТЭС и АЭС». № Гос. регистрации 01.9.80 006 008. Код по ГРНТИ: 44.29.33.

Цель работы. Разработка новых более совершенных методов и технических средств контроля и определения места снижения сопротивления изоляции в сетях оперативного постоянного тока на электрических станциях и подстанциях.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

— анализ причин возникновения и оценка погрешности существующих методов и технических средств контроля сопротивления изоляции и поиска места ее снижения или повреждения в сетях оперативного постоянного тока;

— разработка методов селективного контроля сопротивления изоляции и определения места ее снижения или повреждения, основанных на измерении величины активной составляющей тока утечки изоляции при компенсации влияния емкостной составляющей тока утечки;

— разработка электромагнитных датчиков для регистрации малых токов утечки изоляции;

— разработка и внедрение в эксплуатацию устройств, реализующих методы контроля сопротивления изоляции, основанные на выделении активной составляющей из полного тока утечки изоляции путем компенсации влияния емкостной составляющей тока утечки.

Методы исследований. Для решения задач использовались методы математического моделирования на основе теории электрических цепей, а также методы экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Определены причины возникновения погрешности существующих методов контроля сопротивления изоляции, получена и исследована зависимость относительной погрешности контроля сопротивления изоляции от параметров СОПТ.

2. Предложены и разработаны методы селективного контроля сопротивления изоляции, определения места ее снижения или повреждения по величине активной составляющей тока утечки, выделяемой из полного тока утечки, с компенсацией влияния емкостной составляющей тока утечки изоляции частотнои амплитудно-модулированным сигналами.

3. Определена относительная погрешность разработанных методов контроля и зависимость погрешности от параметров схемы замещения контролируемой сети.

Достоверность и обоснованность научных результатов и выводов обеспечивается применением методов математического моделирования режимов работы электрических цепей и подтверждается результатами лабораторных и промышленных испытаний.

Практическая ценность работы. На основе предложенных методов, разработана аппаратура для селективного контроля сопротивления и поиска места повреждения изоляции в сети оперативного постоянного тока на электростанциях и подстанциях. Разработан электромагнитный датчик для бесконтактного контроля малых токов утечки изоляции. Установлены зависимости погрешности контроля сопротивления от параметров функциональных блоков, входящих в состав системы контроля. Все это повышает надежность работы сети оперативного постоянного тока, увеличивает точность контроля сопротивления изоляции, сокращает время поиска поврежденного присоединения и обеспечивает большую безопасность поисковых мероприятий.

Реализация результатов работы. Разработанные методы, датчики и аппаратура контроля сопротивления изоляции сети оперативного постоянного тока успешно прошли лабораторные и промышленные испытания и внедрены в эксплуатацию на Череповецкой ГРЭС, филиале АО «Вологда-энерго» .

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика оценки погрешности способов контроля сопротивления изоляции СОПТ.

2. Методы контроля сопротивления изоляции сетей оперативного постоянного тока относительно «земли» и поиска места повреждения изоляции, основанные на измерении величины активной составляющей тока утечки изоляции с предварительной компенсацией влияния емкостной составляющей тока утечки частотнои амплитудно-модулированным сигналами.

3. Практические варианты использования методов, реализующих принцип компенсации влияния емкостных токов утечки изоляции, при осуществлении селективного контроля сопротивления изоляции и поиска места ее снижения или повреждения.

4. Требования, предъявляемые к различным функциональным узлам устройств, реализующих методы контроля с компенсацией влияния емкостной составляющей тока утечки изоляции амплитудно-модулированным сигналом, обеспечивающие снижение погрешности контроля активного сопротивления изоляции СОПТ относительно «земли» .

5. Датчик для бесконтактного контроля малых токов утечки изоляции.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологий» (г. Иваново, 1994, 1999 г.) — на научном семинаре «Управление режимами электроэнергетических систем» (г.Иваново, 1995 г.) — на международной научно-технической конференции «VIII Бенардосовские чтения» (г. Иваново, 1997 г.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано восемь работ, в том числе две статьи и два патента на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 88 наименований, и двух приложений. Общий объем диссертации 167 страниц.

Результаты исследования трансформаторных датчиков тока с магни-топроводом из электротехнической стали с площадью сечения' магнитопровода 171 и 1250 лш2, длиной средней магнитной силовой линии 180 и 346 мм при числе витков измерительной обмотки соответственно 18 500 и 36 000 представлены в табл. 4.1, а также на рис. 4.1.

Ток первичной обмотки, содержащей в обоих случаях по одному витку, изменялся с частотой 30 Гц. Измерения осуществлялись в условиях сильных индустриальных помех, уровень которых на выходе одного датчика составил 1,5 мВ, а для другого 16 мВ.

Результаты эксперимента, аппроксимированные прямой методом наименьших квадратов [86], могут быть представлены в виде: где Ucpj, Imj — значения измеряемых переменныхА, В — постоянные: m. j>

4.1) llj UcP.jIm.j (UjUyj) .

4.2).

A = N l2-(lm,)2,.

4.3) где N — количество измерений;

B =.

N (Im.pcp.j) ~ Im. j UcP.j.

4.4) A.

Точность определения постоянных, входящих в выражение (4.1) определяется погрешностью измерения переменных 11ср и/т, а также числом измерений N В дальнейших вычислениях предполагается, что погрешность измерения 1 т пренебрежимо мала, Это вполне приемлемое допущение, так как погрешности при определении одной переменной часто намного больше, чем погрешности другой, которые можно без всякого ущерба игнорировать. Кроме этого предполагается, что все погрешности в измерении V • одинаковы по величине. мВ 300.

100 50.

10 5 1.

Рис. 4.1. Результаты исследования характеристик машитопроводов: о — магнитная индукция для магнитопровода сечением 50*25 мм- ¦ - магнитная индукция для магнитопровода сечением 19*9 мм.

Полагая, что результат измерения каждого значения Vср распределен нормально около истинного значения V ср0 с параметром ширины аи, погрешность в измерениях IIср, а также погрешности расчета постоянных, А и В определяются выражениями [86]: и =7гЦ * (исрА-В1)2, (4.5).

ТУ — 2 /=/ } 7 иср к.

1 и 1.

Г-Н и п |.

1 г—.

О ¦ н ® — 1 ¦ ¦ «о.

1) ' о) — о о °.

1 т.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 мА аА =оги.

1=1 гг2 *.

4.6) (4−7).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования, выполненные в диссертационной работе в соответствии с поставленной задачей, позволили получить следующие результаты и выводы:

1. Типовые устройства контроля сопротивления изоляции сетей оперативного постоянного тока, используемые на электрических станциях и подстанциях, не реагируют на симметричные и близкие к симметричным снижения сопротивления изоляции в сети, не обеспечивают селективности ее контроля и имеют низкий уровень автоматизации.

2. Анализ известных методов и технических средств контроля сопротивления изоляции сетей постоянного тока, позволил сформулировать более четкие и обоснованные требования к разрабатываемым методам и устройствам контроля сопротивления изоляции, обеспечивающие устранение выявленных недостатков.

3. Впервые в отечественной практике проведены исследования и выявлены зависимости относительной погрешности методов контроля сопротивления изоляции сети оперативного постоянного тока, основанных на принципе наложения на сеть тестового гармонического сигнала, при изменении контролируемого параметра в реальном для данного объекта контроля диапазоне. Установлены механизмы возникновения погрешностей и возможные пути их устранения.

4. Разработаны методы автоматизированного тестового селективного контроля сопротивления и поиска места повреждения изоляции, основанные на измерении активной составляющей тока утечки изоляции с компенсацией влияния емкостной составляющей тока утечки, возникающих при наложении на сеть тестового гармонического напряжения. Разработанные методы позволяют осуществлять непрерывный контроль сопро.

149 тивления и определять место повреждения изоляции без отключения потребителей оперативного тока от источников питания, снизить относительную погрешность контроля сопротивления изоляции присоединений на головных участках сети до десяти процентов и уменьшить продолжительность поисковых мероприятий.

6.. Разработан датчик контроля малых токов утечки изоляции с линейной характеристикой в диапазоне реального изменения сопротивления изоляции в сети оперативного постоянного тока ТЭС и АЭС.

7. Разработаны технические средства и устройства системы контроля сопротивления изоляции сети оперативного постоянного тока. Они включают в себя стационарное устройство на головных участках сети, и переносное устройство контроля сопротивления и поиска места повреждения изоляции на периферийных участках сети оперативного тока.

8. Проведены испытания созданной аппаратуры контроля сопротивления изоляции в лабораторных и производственных условиях. Они подтвердили справедливость принципов и целесообразность использования разработанных методов при создании локальных устройств и систем автоматизированного контроля сопротивления изоляции сетей оперативного постоянного тока на электрических станциях и подстанциях.