GAS INSULATED SWITCHGEAR SF6-TO-AIR BUSHING DIAGNOSIS

ДИАГНОСТИКА ВВОДОВ ВОЗДУХ-ЭЛЕГАЗ КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ЭЛЕГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Научная статья

Чайка В.С.^1, *, Тетиора С.Ю.²

^{1, 2} Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия

* Корреспондирующий автор (godbless[at]mail.ru)

Аннотация

Статья посвящена вопросам оценки технического состояния вводов воздух-элегаз в комплектных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией методом электромагнитного контроля на основе анализа спектральных характеристик собственного электромагнитного излучения вводов. В работе приведен анализ аварийности и существующих способов диагностики КРУЭ, в программном комплексе Altair FEKO создана математическая модель, включающая в себя как непосредственно излучающее оборудование, так и ближайшие к нему конструкции, выполнен расчет электромагнитного поля на резонансных частотах ввода воздух-элегаз, определены точки расположение измерительной аппаратуры. Приведены результаты регистрации спектральных характеристик вблизи вводов элегаз-воздух КРУЭ 220 кВ, проведен анализ полученных характеристик.

Ключевые слова: диагностика, ввод элегаз-воздух, комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией, частичный разряд.

GAS INSULATED SWITCHGEAR SF6-TO-AIR BUSHING DIAGNOSIS

Research article

Chaika V.S.^1, *, Tetiora S.Y.²

^{1, 2} Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia

* Corresponding author (godbless[at]mail.ru)

Abstract

The article is devoted to the issues of assessing the technical condition of air-SF6 inputs in complete switchgears with SF6 insulation by the method of electromagnetic control based on the analysis of the spectral characteristics of the self-electromagnetic radiation of the inputs. The paper provides an analysis of the accident rate and existing methods for diagnostics of gas insulated switchgear, a mathematical model was created in the Altair FEKO software package, which includes both the directly radiating equipment and the structures closest to it, the calculation of the electromagnetic field at the resonant frequencies of the air-SF6 inputs, the points of measuring equipment location were determined. The spectral characteristics of the self-electromagnetic radiation of SF6-air inputs with nominal voltage equal 220 kV gas insulated switchgear were recorded, the obtained characteristics was analyzed.

Keywords: diagnostics, SF6 to air bushing, gas insulated switchgear, partial discharge.

Введение

В настоящее время при строительстве распределительных устройств (РУ) напряжением 110 кВ и выше вместо традиционных открытых и закрытых РУ всё чаще применяются комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) по причине высокой надёжности и сравнительно небольших габаритов данного оборудования.

Основными недостатками КРУЭ являются: высокие первоначальные капиталовложения; недоступность токоведущих частей для осмотра; сложность ремонтов. В настоящее время в России функционирует более 120 КРУЭ различных производителей и разных классов напряжения, подавляющее большинство которых приходится на зарубежных производителей, что в условиях неблагоприятной международной обстановки может привести к длительному простою оборудования при выходе его отдельных элементов из строя, либо к высоким затратам на формирование аварийного резерва оборудования. Поэтому большое внимание должно быть уделено диагностике КРУЭ и оценке его технического состояния.

Выявление дефектов на ранних стадиях развития – это единственный способ предотвращения финансовых потерь, связанных с отказом оборудования, и путь для перехода от ремонтов оборудования по установленной периодичности (планово-предупредительных) к ремонтам с учетом фактического технического состояния оборудования, что является одной из основных задач стратегии развития электросетевого комплекса Российской Федерации [1]. Несмотря на высокую стоимость систем диагностики [2] и высокую надежность КРУЭ, затраты на ликвидацию последствий аварий весьма ощутимы и, если хотя бы один отказ будет предотвращен системой диагностики, то она полностью себя окупает.

Конструкция КРУЭ

КРУЭ представляет из себя совокупность связанных между собой металлических модулей, внутри которых размещаются токоведущие части (шины) и отдельные аппаратные элементы (выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы), заключенные в герметичную металлическую оболочку, заполненную элегазом под давлением. Каждый элемент заключен в отдельный газоизолированный модуль. В России, в связи с суровыми климатическими условиями, КРУЭ монтируются в зданиях, ввод высоковольтных токоведущих частей в которые возможен двумя способами: воздух-элегаз, кабель-элегаз.

Ввод кабель-элегаз производится посредством кабельных муфт, монтируемых в аппаратном зале КРУЭ и кабеля, уходящего в кабельный этаж под аппаратным залом. Недостатки данного метода заключаются в необходимости строительства кабельного этажа и необходимости монтажа в нём системы контроля утечки элегаза, что ведёт к повышению капитальных затрат, а также в возможности повреждения кабеля соседних фаз при повреждении кабеля и введенном автоматическом повторном включении линии. Достоинство данного метода – в компактности и полном отсутствии открытых токоведущих частей.

Ввод воздух-элегаз производится через стены здания КРУЭ посредством вводов с элегазовой или твёрдой RIP-изоляцией со стороны улицы и шинным модулем внутри здания КРУЭ. При этом данный шинный модуль выполняется единым объемом с вводом с элегазовой изоляцией и на большой высоте относительно пола. В данной статье рассматривается опыт диагностики вводов воздух-элегаз в элегазовой изоляции методом электромагнитного контроля.

Вводы с элегазовой изоляцией представляют из себя изолятор, внешняя изоляция которого выполняется из фарфора или полимерных материалов и обеспечивает необходимое разрядное расстояние и длину пути утечки по наружной поверхности и механическую прочность, а внутренняя полость ввода заполняется элегазом под давлением.

Рис. 1 – Ввод воздух-элегаз

 

Аварийность и существующие методы диагностики

В таблице 1 приведены данные опроса СИГРЭ [3] по аварийности отдельных элементов КРУЭ различных классов напряжения.

 

Таблица 1 – Аварийность отдельных элементов КРУЭ напряжением 110 кВ и выше

Элементы КРУЭ	В целом, %	По классам напряжения, %
		100 – 200 кВ	200 – 700 кВ
Выключатель	42,3	54,7	29,9
Разъединитель	17,7	17,2	18,2
Отсеки и соединительные части	13,25	4,1	22,4
Трансформатор напряжения	5,5	6,2	4,8
Главные токоведущие части	5,3	3,7	6,9
Вводы «воздух-элегаз»	4,8	1,1	8,5
Заземлитель	4,45	5,3	3,6
Трансформатор тока	0,95	0,7	1,2
Прочие	5,75	7,0	4,5

 

Из таблицы 1 видно, что в КРУЭ наиболее подвержены повреждениям высоковольтные коммутационные аппараты: выключатели и разъединители, что объясняется наличием в данных элементах подвижных частей и регулярными дуговым процессами. На вводы воздух-элегаз приходится около 5% всех повреждений, причём для КРУЭ напряжением 220 кВ и выше этот показатель достигает 8,5%. Столь малое, на первый взгляд, количество аварий можно объяснить сравнительно не частым применением вводов воздух-элегаз. Коммутационные аппараты присутствуют в каждой ячейке КРУЭ, в то время как вводы – только в ячейках линий и силовых трансформаторов, при этом значительная часть вводов выполнена по схемам кабель-элегаз, либо масло-элегаз, применяемой только для силовых трансформаторов.

Согласно [4] КРУЭ 110 кВ и выше рекомендуется оснащать автоматизированными системами мониторинга и контроля давления элегаза в газовых модулях и уровня частичных разрядов (ЧР) по показателям: регулярность ЧР, опасный кажущийся заряд ЧР, длительность одного цикла регистрации ЧР.

Системы контроля давления элегаза устанавливаются производителем, так как требуют вмешательства в конструкцию модулей и представляют из себя денсиметры, имеющие, как минимум, две пары контактов для вывода предупредительной и аварийной сигнализации об утечке элегаза [5].

Системы мониторинга уровня частичных разрядов широко представлены на рынке [6]. Основными методами регистрации ЧР в КРУЭ являются: химический; акустический; электрический и электромагнитный.

Химический метод заключается в отборе и последующем анализе проб элегаза из каждого модуля КРУЭ. Данный метод достаточно трудоемок и требует обязательного участия человека [7]. Кроме того, им невозможно определить начальные стадии повреждений, вызванные ЧР.

Акустический метод состоит в регистрации акустических волн, возникающих в результате ЧР. При этом, крайне сложно оценить характеристики ЧР, поскольку на распространение сигнала от источника до датчика сильное влияние оказывают сложная геометрия КРУЭ и различие сред, таких как элегаз, твердая изоляция, сталь [8]. Поэтому данный метод применяют для определения наличия ЧР и их локализации по временным интервалам между сигналами и скорости распространения.

Электрический метод основывается на измерении импульсов тока. Локализация источника ЧР осуществляется несколькими датчиками, используя затухание и временные задержки между сигналами. Применение данного метода сдерживается недостаточной устойчивостью к помехам, создаваемых коронными разрядами на внешних присоединениях.

Электромагнитному методу отдается наибольшее предпочтение как самому помехоустойчивому и эффективному методу регистрации и локализации ЧР в КРУЭ. Датчики представляют собой антенны, регистрирующие сигналы в сверх- и ультравысокочастотном диапазоне, которые устанавливаются на изоляторы в местах соединений модулей КРУЭ. Локализация места возникновения ЧР осуществляется аналогично электрическому методу [9].

Однако, так как основным принципом локализации частичных разрядов является регистрация временных задержек между сигналами геометрически разнесенных антенн, то не представляется возможным однозначно определить, находится источник ЧР в модуле ввода воздух-элегаз, или же за ним, поскольку он выполняется единым объемом от модуля линейного заземлителя до аппаратного зажима, то по всей его длине отсутствуют изоляторы для монтажа антенн. Кроме того, в зависимости от компоновки, модуль ввода воздух-элегаз является самым протяженным во всём КРУЭ, что ещё раз говорит о важности разработки новых методов диагностики данного элемента.

Диагностика вводов воздух-элегаз методом анализа спектров собственного электромагнитного излучения

В этом случае контроль технического состояния осуществляется путем регистрации и анализа спектров собственного электромагнитного излучения оборудования. В этом случае важное значение имеет выбор места расположения измерительной аппаратуры в виде антенны и спектроанализатора.

В программном комплексе Altair FEKO была разработана излучающая модель шести вводов воздух-элегаз КРУЭ 220 кВ, позволяющая рассчитать собственное электромагнитное излучение ввода, а также учесть наличие расположенных вблизи строительных конструкций (здание КРУЭ, фундаментов и стоек ОПН), электрических аппаратов (ОПН) и соединительных проводов (см. рисунок 2). Поверхность грунта задана в виде однородного пространства. В полученной модели выполнено разбиение элементов на сетку из сегментов (отрезков провода, треугольников и тетраэдров).

Рис. 2 – Излучающая модель изоляторов воздух-элегаз КРУЭ 220 кВ

 

Для модели, представленной на рисунке 2, в программном комплексе Altair FEKO выполнен расчет электромагнитного поля на частоте 82,15 МГц, являющейся основной резонансной частотой вводов, рассчитанной по формуле 1 и на частотах границ информационного частотного диапазона, полученных сложением и вычитанием ширины информационной частотной полосы, рассчитанной по формуле 2, и резонансной частоты вводов и равняющихся 70,41 МГц и 93,89 МГц.

где Q – эквивалентная добротность антенны на основной резонансной частоте f.

В результате, по полученной информационной диаграмме направленности излучения, с учётом пространственных ограничений и требований электробезопасности, были выбраны три точки расположения антенны измерительного комплекса: на расстоянии 6,75 м и под углами 45⁰, 90⁰ и 135⁰ от точки входа вводов в здание КРУЭ.

Регистрация спектров проводилась на вводах воздух-элегаз ячейки автотрансформатора КРУЭ 220 кВ при помощи комбинированной антенны П6-11М, анализатора спектра RSA306B и ноутбука в ноябре 2019 года и феврале 2021 года при температурах окружающего воздуха -5⁰с и -4⁰с соответственно. Загрузка автотрансформатора по стороне 220 кВ при первом измерении составляла I_A = 46,35 А, I_B = 44,22 А, I_C = 45,87 А, а при втором I_A = 42,71 А, I_B = 41,18 А, I_C = 44,9 А.

Полученные в результате измерений спектры электромагнитного излучения вводов ячейки автотрансформатора АТ-2 при установке антенны под углами 45⁰, 90⁰ и 135⁰ от точки входа вводов в здание КРУЭ представлены на рисунках 3 и 4. На спектрах видно, что в информационных частотах, соответствующих изоляторам воздух-элегаз, находятся зоны с повышенной спектральной плотностью. При повторных обследованиях форма спектра, амплитуда и количество пиков существенно не изменились.

Рис. 3 – Спектральные характеристики замера от ноября 2019 года:

a) Установка антенны под углом 45⁰; b) Установка антенны под углом 90⁰; c) Установка антенны под углом 135⁰

Рис. 4 – Спектральные характеристики замера от февраля 2021 года:

a) Установка антенны под углом 45⁰; b) Установка антенны под углом 90⁰; c) Установка антенны под углом 135⁰

Для численной оценки состояния оборудования вычислим интегральную мощность излучения в информационных частотах по формуле:

    (3)

где f_к и f_н – границы информационной частотной полосы.

γ(f) – значения спектральной плотности.

Для оценки технического состояния оборудования необходимо определить эталонные значения интегральной мощности [10]. В качестве эталонных принимаем значения, сформированные по наименьшим значениям спектральной плотности однотипного оборудования, работающего в схожем режиме эксплуатации. В данном КРУЭ аналогичным образом были проведены замеры электромагнитного излучения вводов воздух-элегаз ячеек автотрансформатора и отходящей линии. Отношение интегральной мощности диагностируемого оборудования к эталонному составило 1,05, что свидетельствует о том, что состояние оборудования соответствует норме.

Заключение

В результате исследования проверена принципиальная возможность оценки технического состояния вводов воздух-элегаз комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией методом анализа спектров собственного электромагнитного излучения. Выявлено соответствие рассчитанных значений резонансной частоты и границ информационного частотного диапазона вводов элегаз-воздух фактическим частотам, полученным в ходе измерений. При помощи программного комплекса Altair FEKO определены точки размещения диагностического оборудования.

Исходя из стабильной формы спектров электромагнитного излучения с течением времени, можно судить как о детерминированной диагностической ценности метода электромагнитного контроля, так и о стабильном техническом состоянии исследуемых элементов КРУЭ. В рамках исследования произведена регистрация спектров аналогичных вводов ячеек автотрансформатора и отходящей воздушной линии. Определено эталонное значение спектральной плотности и состояние диагностируемого оборудования признано соответствующим норме.

Однако, для дальнейшего повышения точности оценки состояния требуется накопление базы составных эталонных спектров различного высоковольтного электротехнического оборудования, что позволит как отслеживать изменения в техническом состоянии, так и проводить ранжирование однотипного оборудования.

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

1. Распоряжение Правительства РФ от 03.04.2013 № 511-р (ред. от 29.11.2017) «Об утверждении Стратегии развития электросетевого комплекса Российской Федерации». – М.: 2013. – 43 с.
2. Аракелян, В.Г. Оперативная диагностика состояния элегазового оборудования по физико-химическим показателям / В.Г. Аракелян // Электротехника. – 2002. – № 3. – С. 56 – 65.
3. Final Report of the 2004 - 2007 International Enquiry on Reliability of High Voltage Equipment. Part 5 – Gas Insulated Switchgear (GIS) // CIGRE. – 2012. – pp. 75–87.
4. Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе». – М.: 2019. – 219 с.
5. Аракелян, В.Г. Определение утечки элегаза из электротехнических аппаратов / В.Г. Аракелян, В.Н. Демина // Электротехника. 1992. – № 4 – 5. – С. 65 – 68.
6. Управление эксплуатацией высоковольтных кабельных линий и комплектных распределительных устройств по техническому состоянию // Димрус. – Пермь. – [Электронный ресурс]. URL: https://dimrus.com/manuals/energoexpert0220.pdf (дата обращения: 25.03.2021).
7. Arakelian, V.G. Diagnostics for the condition of SF6 equipment based on physico-chemical parameters / V.G. Arakelian, A.J Kovalenko // IEEE Electrical Insulation Magazine. – 2001. – Vol. 17, No. 2. – pp. 42-51.
8. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования / В.П. Вдовико. – Новосибирск: Наука, 2007. – 155 с.
9. Русов, В.А. Дистанционная локация мест возникновения дефектов в энергетическом оборудовании в UHF (СВЧ) диапазоне частот / В.А. Русов, [Электронный ресурс]. – 2010. – URL: https://www.slideserve.com/gen/dimrus (дата обращения: 25.03.2021).
10. Силин Н.В. Оценка технического состояния электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам излучаемого электромагнитного поля / Н.В. Силин // Известия Российской академии наук. Энергетика, 2008. – №3. – С. 86-91.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rasporjazhenie Pravitel'stva RF ot 03.04.2013 № 511-r (red. ot 29.11.2017) «Ob utverzhdenii Strategii razvitija jelektrosetevogo kompleksa Rossijskoj Federacii» [Order of the Government of the Russian Federation of 03.04.2013 No. 511-r (as amended on 29.11.2017) "On approval of the Strategy for the development of the power grid complex of the Russian Federation"]. – M.: 2013. – 43 p. [in Russian]
2. Arakeljan, V.G. Operativnaja diagnostika sostojanija jelegazovogo oborudovanija po fiziko-himicheskim pokazateljam [Rapid diagnostics of the state of gas-insulated equipment by physical and chemical indicators] / V.G. Arakeljan // Jelektrotehnika [Electrical engineering]. – 2002. – № 3. – P. 56 – 65. [in Russian]
3. Final Report of the 2004 - 2007 International Enquiry on Reliability of High Voltage Equipment. Part 5 – Gas Insulated Switchgear (GIS) // CIGRE. – 2012. – pp. 75–87.
4. Polozhenie PAO «Rosseti» «O edinoj tehnicheskoj politike v jelektrosetevom komplekse» [Regulation of PJSC "Rosseti" "On a unified technical policy in the power grid complex"]. – M.: 2019. – 219 p. [in Russian]
5. Arakeljan, V.G. Opredelenie utechki jelegaza iz jelektrotehnicheskih apparatov [Determination of SF6 gas leakage from electrical devices] / V.G. Arakeljan, V.N. Demina // Jelektrotehnika [Electrical engineering]. 1992. – № 4 – 5. – P. 65 – 68. [in Russian]
6. Upravlenie jekspluataciej vysokovol'tnyh kabel'nyh linij i komplektnyh raspredelitel'nyh ustrojstv po tehnicheskomu sostojaniju [Management of operation of high-voltage cable lines and complete switchgears by technical condition] [Electronic resource]. – 2020 – URL: https://dimrus.com/manuals/energoexpert0220.pdf (accessed: 25.03.2021). [in Russian]
7. Arakelian, V.G. Diagnostics for the condition of SF6 equipment based on physico-chemical parameters / V.G. Arakelian, A.J Kovalenko // IEEE Electrical Insulation Magazine. – 2001. – Vol. 17, No. 2. – pp. 42-51.
8. Vdoviko V.P. Chastichnye razrjady v diagnostirovanii vysokovol'tnogo oborudovanija [Partial discharges in diagnostics of high-voltage equipment] /V.P. Vdoviko. – Novosibirsk: Nauka [Science], 2007. – 155 p. [in Russian]
9. Rusov, V.A. Distancionnaja lokacija mest vozniknovenija defektov v jenergeticheskom oborudovanii v UHF (SVCh) diapazone chastot [Remote location of places of occurrence of defects in power equipment in the UHF (microwave) frequency range] [Electronic resource]. – 2010. – URL: https://www.slideserve.com/gen/dimrus (accessed: 25.03.2021). [in Russian]
10. Silin N.V. Ocenka tehnicheskogo sostojanija jelektrojenergeticheskogo oborudovanija po spektral'nym harakteristikam izluchaemogo jelektromagnitnogo polja [Assessment of the technical condition of electric power equipment by the spectral characteristics of the radiated electromagnetic field] // Izvestija Rossijskoj akademii nauk. Jenergetika [Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Energy], 2008. – №3. – P. 86-91. [in Russian]