Определение мест повреждения силовых кабелей линий индукционным методом с использованием компьютерной визуализации диагностических параметров

Одной из основных задач электроэнергетики России является обеспечение требуемого уровня надежности электроснабжения потребителей. Важным показателем, характеризующим надежность электроэнергетического оборудования является время его нахождения в ремонте. Сокращение длительности ремонтного режима позволяет повысить надежность электроснабжения. Практика развития современных систем диагностирования оборудования, позволяющих сократить время нахождения в ремонте, показывает, что для получения достоверного вывода о состоянии объекта необходима одновременная оценка множества информационных признаков. Оптимальным вариантом вывода информации для одновременной оценки большого объема данных является визуальное представление качественной картины изменения диагностических параметров обследуемого объекта. Надежность электроснабжения потребителей в значительной степени определяют кабельные линии высокого напряжения, являющиеся необходимым звеном в передаче и распределении электроэнергии. В комплексе ремонтных работ диагностирование мест повреждений кабельных линий является сложной и наиболее длительной технологической операцией, достигающей в наиболее сложных случаях до 2 -ь 5 суток. Поэтому, определение места повреждения (ОМП) силовых кабелей с &bdquo-максимальной точностью и наименьшими затратами времени и средств является важной задачей эксплуатации кабельных электрических сетей. Опираясь на опыт развития средств диагностики, решение этой задачи может быть достигнуто разработкой методов и средств ОМП силовых кабельных линий на основе комплексной оценки множество параметров с возможностью визуального контроля качественного изменения диагностических параметров.

Средства, затрачиваемые на ОМП, могут составлять в среднем 30 ч- 35% от общих затрат на ликвидацию повреждения кабельной линии. При этом, доля расходов на устройства диагностирования повреждений кабельных линий в общих капитальных затратах предприятий электросетей мала, а внедрение прогрессивных методов и средств выявления мест повреждения позволит получить значительный экономический эффект.

Непосредственное указание места повреждения требует работы оператора в полевых условиях, когда при скрытой прокладке кабельной линии по изменению обычно одного диагностируемого параметра (зависящего от многих факторов), необходимо указать места повреждения на трассе. Решение подобной задачи часто определяется опытом и интуицией оператора, поэтому исследование диагностических полей в области повреждения и разработка современных технических средств диагностирования с более совершенным алгоритмом поиска повреждения является актуальной проблемой.

Одним из наиболее перспективных путей совершенствования трассовых методов ОМП кабельных линий является включение в состав комплекса диагностической аппаратуры средств визуального контроля информационных полей в области повреждения с возможностью одновременной оценки множества диагностических параметров. Применение подобной аппаратуры позволит облегчить работу оператора на трассе кабельной линии и повысить эффективность процесса ОМП.

Данная работа посвящена совершенствованию индукционного метода определения места повреждения силовых кабельных линий, едрименением компьютерной визуализации информационных полей с целью обеспечения высокой эффективности диагностирования. При выполнении работы использованы теоретические основы и результаты экспериментальных исследований в области диагностирования повреждений кабельных линий, полученные ведущими учеными и специалистами в данной области: А. К. Манном В.В. Платоновым, Г. М. Шалытом, В. Ф. Быкадоровым, О. А. Дроздовым.

Исследования по теме диссертации выполнялись по плану развития научного направления ЮРГТУ (НПИ) «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», комплексным научно-техническим программам Северо-Кавказкого научного центра высшей школы «Улучшение экологии и повышение надежности энергетики Ростовской области» и Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 209 «Инновация».

Актуальность темы

подтверждается ее соответствием приоритетным направлениям науки и техники, утвержденным Председателем Правительства РФ 21.06.1996 г.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи: анализ методов и алгоритмов визуализации диагностических параметров при обследовании технических объектованализ основных электромагнитных и конструктивных параметров силовых кабельных линий, определяющих структуру их внешнего магнитного поля при трассовых методах диагностированияоценка параметров трассовых методов определения места повреждения силовых кабельных линий с точки зрения применения средств компьютерной визуализации информационных полейтеоретические и экспериментальные исследования магнитного поля кабельной линии в режимах диагностированияразработка способа определения места повреждения силовых кабельных линий на трассе на основе компьютерной визуализации структуры компонентов напряженности магнитного поляразработка аппаратуры для технической реализации способа определения места повреждения силовых кабельных линий на трассе с использованием компьютерной визуализации компонентов напряженности магнитного поля линии в режимах диагностирования.

Основными теоретическими результатами, полученными в работе, и научной новизной являются: обосновано применение компьютерной визуализации структуры магнитного поля при диагностировании места повреждения силовых кабельных линий индукционным методомполучена математическая модель и выполнен анализ структуры компонентов напряженности магнитного поля поврежденной силовой кабельной линии с учетом произвольного расположения перемычки, возникающей в месте повреждения и особенностей подтекания тока к месту замыканияопределены типовые структуры компонентов напряженности магнитного поля формирующиеся над местом повреждения кабельной линии в режимах диагностирования, позволяющие распознать место поврежденияразработан способ определения места повреждения силовых кабельных линий, основанный на компьютерной визуализации структуры компонентов напряженности магнитного поля. Разработанный способ ОМП кабельной линии защищен патентом РФопределены принципы построения и технические решения устройств для диагностирования мест повреждения силовых кабельных линий на основе визуализации структуры магнитного поля. Разработки защищены авторским свидетельством РФ на полезную модель.

Работа включает введение, четыре главы, заключение и список литературы.

В первой главе выполнен анализ методов визуализации при диагностировании технических объектов. Показано, что наиболее эффективным является применение аппаратуры визуализации для индукционного метода поиска места повреждения. В качестве информационного параметра данного метода, отображение которого позволяет получить наибольший эффект, является объемноеизображение структуры компонентов напряженности магнитного поля над трассой кабельной линии. На примере силовых кабельных линий 6 — 10 кВ определены основные факторы, влияющие на структуру магнитного поля над трассой кабельной линии и вклад каждого из них в общую структуру.

Во второй главе получена расчетная модель распределения напряженности локального магнитного поля над местом замыкания в виде суммы полей, создаваемых токами, протекающими по жилам, оболочке и перемычке, возникающей в месте повреждения. Оценен вклад отдельных составляющих в суммарную напряженность магнитного поля над местом повреждения. Получены закономерности распределения компонентов напряженности магнитного поля, необходимые для построения аппаратуры для определения места повреждения кабельных линий на основе визуализации структуры поля.

В третей главе выполнены экспериментальные исследования магнитного поля кабельной линии в режимах диагностирования с использованием образцов различных типов силовых кабелей, позволившие оценить локальные изменения структуры поля над местом дефектов кабеля. На основании сравнительной оценки расчетных и экспериментальных данных сделано заключение о достоверности полученных расчетных выражений.

Четвертая глава посвящена разработке способа определения места повреждения кабельной линии на основе компьютерной визуализации структуры компонентов напряженности магнитного поля и устройств, реализующих данный способ. Произведен выбор параметров и приведены структурные и принципиальные схемы разработанных опытных образцов устройств визуализации структуры поля в режимах определения места повреждения кабельной линии. На основании экспериментальных исследований структуры магнитных полей силовых кабельных линий в режимах диагностирования с использованием разработанных устройств визуализации определены характерные признаки мест повреждения и получены типовые образы структуры компонентов напряженности магнитного поля для различных типов замыканий.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ПАРАМЕТРОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ТРАССЕ СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ.

4.7 Выводы.

1. Основными требованиями к устройству визуализации магнитного поля в режимах диагностирования являются следующие: устройство должно обеспечивать возможность одновременной поэлементной (Ну, Нх, Hz) оценки уровня напряженности магнитного поля в фиксированных точках пространства над трассой кабельной линии в режимах диагностирования, преобразование и хранение полученной информации с возможностью последующего вывода визуального образа качественной картины изменения структуры магнитного поля, массогабаритные показатели устройства должны быть таковы, чтобы обеспечивать возможность его мобильного (переносного) применения одним оператором в процессе диагностирования места повреждения на трассе кабельной линии, работа с прибором не должна требовать от оператора знания большого количества сложной теоретической или практической информации связанной с данным видом работ (простота управления, однозначность интерпретации получаемой диагностической информации), автономное питание на время диагностирования на трассе кабеля.

2. В общем случае, основываясь на принятых алгоритмах диагностирования, устройство визуализации магнитного поля должно иметь не менее пяти основных блоков: матрицу датчиков, блок сбора информации, блок АЦП, блок обработки информации, устройство вывода информации.

3. Блок сбора информации устройства визуализации состоит из трех частей: группа первичных преобразователей, коммутатор, усилитель. В блоке сбора информации при синусоидальном зондирующем сигнале группа первичных преобразователей выполнена в виде линейки датчиков на основе индукционныхкатушек, коммутатор выполнен на микросхеме К561КТЗ, усилитель собран на основе полосового активного фильтра с параллельной обратной связью с коэффициентом 200 000 и частотой 1073 Гц, применена микросхема LM324. В блоке сбора информации при импульсном зондирующем сигнале группа первичных преобразователей выполняется в виде матрицы датчиков на основе индукционных катушек или магнитотранзисторов, коммутатор выполнен на микросхеме К561КТЗ, усилитель собран на основе фильтра высоких частот с коэффициентом 2000 и частотой фильтрации 500 Гц, применена микросхема LM324.

4. Функционально блоки преобразования и обработки информации объединены вместе и включают три части: АЦП, «память», АЛУ. Предложены два варианта решения конструкции блока преобразования и обработки информации: на базе микроконтроллера AT90S8535 и ПЭВМ с платой «ввода — вывода» типа ЛА — 2 М².

5. Основными требованиями к блоку вывода диагностической информации являются: обеспечение вывода качественной картина структуры магнитного поля кабельной линии и сопряжение с блоком преобразования и обработки информации. Для устройства визуализации на базе ПЭВМ это монитор, для микропроцессорного устройства на базе микроконтроллера AT90S8535 предложено применение жидкокристаллического модуля PG320240WRF-DE4-H-Y4 со специализированным контроллером SED 1335 °F.

6. В качестве программного обеспечения устройства визуализации на базе ПЭВМ предложено использовать для управления платой АЦП программу ADCLab (поставляющуюся в стандартном пакете программ с платой АЦП) с последующей передачей данных в формате ASCII программам работающим в среде Windows, обрабатывающими электронные таблицы с возможностью двухмерного или трехмерного отображения информации. Для микропроцессорного устройства визуализации на базе микроконтроллера AT90S8535 программа включает: подпрограмму АЦП, подпрограмму ШИМ, подпрограмму преобразования матрицы информации и подпрограмму вывода информации, использовался язык assembler и программа отладки и программирования микроконтроллера AVR Studio 3.2.

7. Экспериментальные исследования структуры магнитных полей силовых кабельных линий в режимах диагностирования с использованием разработанных устройств визуализации позволили определить характерные признаки мест повреждения и получить типовые образы структуры магнитных полей для различных типов замыканий. Признаком места междуфазного замыкания или замыкания на оболочку без тока растекания является резко неоднородная структура до места повреждения и за местом повреждения для составляющих Ну, Нх, Hz напряженности магнитного поля, до места повреждения структура изменяется с шагом скрутки, за местом повреждения поле зондирующего тока отсутствует. Признаком места замыкания на оболочку с током растекания является однородная структура до места повреждения и за местом повреждения для составляющих Ну, Нх напряженности магнитного поля зондирующего тока и резко неоднородная структура составляющей Hz. Для поиска данного типа повреждения рекомендуется отслеживать продольную составляющую напряженности магнитного поля т.к. на нее не оказывает воздействие поле тока растекания. На основании этих результатов предложен способ определения места повреждения силовых кабельных линий, основанный на отслеживании качественных изменений различных составляющих поля с применением визуального отображения структуры магнитного поля при диагностировании.

8. На основании требований эксплуатации разработаны два варианта опытных образцов устройств визуализации структуры магнитного поля для определения места повреждения силовых кабельных линий: на базе ПЭВМ и микропроцессорное устройство на базе микроконтроллера AT90S8535. Устройство на базе ПЭВМ обладает большими возможностями исследования структуры поля по более высокой стоимостью, на базе микроконтроллера существенно меньшей стоимостью, но минимально требуемым набором возможностей для определения места повреждения силовых кабельных линий на трассе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Опыт развития методов диагностирования технических объектов показывает, что для получения достоверного вывода о состоянии объекта необходима одновременная оценка множества параметров. Анализ методов визуализации диагностических параметров при обследовании технических объектов позволил установить основные алгоритмы визуального отображения диагностической информации. Для повышения объема и качества информации об исследуемом объекте, предоставляемой оператору при принятии решения, и сокращения времени поиска дефекта показана целесообразность применения косвенного алгоритма визуализации с возможностью вывода объемной картины изменения параметров диагностирования в аппаратуре определения места повреждения на трассе кабельной линии.

2. При анализе методов диагностирования мест повреждения силовых кабельных линий, установлено, что наиболее эффективным является применение аппаратуры визуализации для индукционного метода. В качестве информационного параметра данного метода, отображение которого позволяет получить наибольший эффект, рекомендуется использовать объемное изображение покомпонентной структуры напряженности магнитного поля над трассой кабельной линии.

3. На основе анализа индукционного метода диагностирования места повреждения определены основные факторы, влияющие на структуру магнитного поля над трассой кабельной линии и вклад каждого из них в формирование общей структуры поля. К ним относятся: вид повреждения, конструктивные параметры силового кабеля, глубина прокладки кабеля, наличие токов растекания в земле, входное сопротивление кабельной линии, параметры генератора зондирующего тока, схема подключения генератора к кабельной линии, поле токов нагрузки протекающих по неповрежденным кабелям и воздушным линиям в районе диагностирования.

4. В соответствии с особенностями применения индукционного метода для определения места повреждения силовых кабельных линий, разработаны два алгоритма визуализации диагностических параметров данного метода. Первый алгоритм предназначен для визуализации покомпонентной структуры напряженности магнитного поля над трассой кабельной линии в режимах диагностирования при использовании источника синусоидального зондирующего тока звуковой частоты. Второй — для визуализации покомпонентной структуры напряженности магнитного поля над трассой кабельной линии в режимах диагностирования при использовании источника импульсного зондирующего тока.

5. Анализ магнитного поля над трассой кабельной линии в режимах диагностирования потребовал создания расчетной модели распределения напряженности локального магнитного поля над местом замыкания в виде суммы полей, создаваемых токами, протекающими по жилам, оболочке и перемычке, возникающей в месте повреждения. Оценен вклад отдельных составляющих в суммарную напряженность магнитного поля над местом повреждения. Полученные закономерности распределения магнитного поля учтены при построении аппаратуры для определения места повреждения кабельных линий на основе визуализации структуры поля.

6. Разработана экспериментальная установка и проведены исследования напряженности магнитного поля кабельной линии в режимах диагностирования с использованием образцов различных типов кабелей, позволившие оценить локальные изменения структуры поля над местом дефектов кабеля. Установлено, что при междуфазном замыкании структура магнитного поля над местом повреждения носит резко неоднородный характер и определяющим является поле тока, протекающего по жилам. При замыкании на оболочку определяющее влияние на структуру магнитного поля оказывает соотношение между током, протекающим по цепи «жилаоболочка» и током растекания по земле.

7. Характер поля над местом замыкания «жила — оболочка» при отсутствии тока растекания аналогичен случаю замыкания «жила — жила». Наличие тока растекания резко уменьшает степень неоднородности вертикальной и поперечной составляющих напряженности магнитного поля над местом повреждения. При этом для продольной составляющей напряженности магнитного поля сохраняется высокая неоднородность структуры над местом повреждения. Также в данном случае на общей структуре поля проявляется влияние характера подтекания тока к месту замыкания и тока перемычки.

8. Эксперименты на образцах различных серийных типов силовых кабелей подтвердили расчетные значения напряженности локального магнитного поля над местом повреждения. Полученные экспериментальным путем объемные картины структуры магнитного поля кабельной линии в режимах диагностирования совпадают с расчетными, что подтверждает достоверность полученных расчетных выражений. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 20%.

9. С использованием полученных характеристик магнитного поля над трассой кабельной линии в режимах ОМП и разработанных алгоритмов визуализации картины поля, определены структура построения и основные требования к аппаратуре диагностирования места дефекта кабеля на основе визуализации магнитного поля. С учетом требований эксплуатации разработаны два варианта опытных образцов устройств визуализации структуры магнитного поля для определения места повреждения силовых кабельных линий: на базе ПЭВМ и микропроцессорное устройство на базе микроконтроллера AT90S8535. Для диагностического микропроцессорного устройства разработано специализированное программное обеспечение, включающее подпрограммы управления сбором информации, преобразования и обработки информации, вывода визуального образа, отражающего структуру магнитного поля.

На устройство определения места повреждения кабельной линии на трассе получено свидетельство РФ на полезную модель.

10. Экспериментальные исследования структуры магнитных полей силовых кабельных линий в режимах диагностирования с использованием разработанных устройств визуализации позволили определить характерные признаки мест повреждения и получить типовые образы структуры магнитных полей для различных видов замыканий. Признаком места междуфазного замыкания или замыкания на оболочку без тока растекания является резко неоднородная структура до места повреждения и за местом повреждения для составляющих Ну, Нх, Hz напряженности магнитного поля. До места повреждения структура поля изменяется с шагом скрутки, за местом повреждения поле зондирующего тока отсутствует. Признаком места замыкания на оболочку с током растекания является резко неоднородная структура составляющей Hz и однородная структура до места повреждения и за местом повреждения для составляющих Ну, Нх напряженности магнитного поля зондирующего тока. Для поиска данного типа повреждения рекомендуется отслеживать продольную составляющую напряженности магнитного поля т.к. на нее не оказывает воздействие поле тока растекания.

11. По результатам выполненных исследований предложен способ определения места повреждения силовых кабельных линий, основанный на одновременной-оценке изменения нескольких составляющих напряженности магнитного поля, созданного зондирующим током, протекающим по кабелю, в множестве точек, расположенных в одной плоскости, параллельной поверхности грунта над диагностируемой кабельной линией. Данные измерений обрабатываются с помощью мини-ЭВМ для получения объемного изображения структуры магнитного поля в заданной плоскости. По полученному визуальному образу характерной картины изменения структуры магнитного поля в области дефекта диагностируют кабельную линию и определяют место повреждения на трассе.

На способ определения места повреждения на трассе силовой кабельной линии получен патент РФ.