Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Институт инновационных технологий

Факультет радиофизики, электроники и медицинской техники

Кафедра электротехники и электроэнергетики В.А. ШАХНИН

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Методические рекомендации к выполнению курсовой работы по дисциплине «Cредства и методы диагностики высоковольтного оборудования».

для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 140400. Электроэнергетика и электротехника © Шахнин В.А., Владимир - 2013 г.

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа по дисциплине по дисциплине «Средства и методы диагностики высоковольтного оборудования».является важнейшим звеном в подготовке для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 140400 Электроэнергетика и электротехника.

Цель выполнения курсовой работы: приобретение навыков самостоятельной постановки и решения задач, не имеющих однозначных стандартных ответов в сфере анализа и управления состоянием высоковольтного оборудования. Достижение названной цели требует от обучающихся глубоких знаний теории, умения работать с научнотехнической литературой и творческого мышления, т.е. того, что необходимо для успешной профессиональной деятельности после завершения обучения в магистратуре университета.

При выполнении курсовой работы студент должен опираться на определенный опыт проектирования элементов систем электроснабжения, приобретенный ранее при выполнении курсовых проектов и работ по дисциплинам бакалавриата "Электрические сети и системы" и «Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения»

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ

ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

1.1. Содержание курсовой работы.

Содержание курсовой работы определяется заданием, которое выдается преподавателем и оформляется по форме, приведенной в прил.1.

Схема системы электроснабжения, для которой проводится разработка средств диагностики высоковольтного оборудования, приведена в прил. 2.

Целесообразно включение в курсовую работу следующих основных разделов:

• анализ системы электроснабжения;

• выбор мест установки и типов средств диагностики системы электроснабжения с обоснованием и кратким описанием принципов действия;

• расчёт сечения и выбор проводников линий;

• расчёт токов коротких замыканий;

• выбор и расчет отдельных элементов средств диагностики системы электроснабжения в соответствии с заданием;

• выбор и расчетная проверка трансформаторов тока, а также определение сечений соединительных проводов в соответствии с заданием;

• разработка принципиальных электрических схем подключения средств диагностики;

• графическая часть (структурные и принципиальные схемы отдельных элементов средств диагностики).

1.2. Требования к пояснительной записке и графической части работы Пояснительная записка курсовой работы должна иметь следующую структуру:

• титульный лист;

• введение;

• изложение основных результатов работы (3-4 главы);

• заключение;

• библиографический список;

• оглавление.

Введение, Во введении должны быть кратко отражены современное состояние в области средств автоматизированного анализа и управления состоянием высоковольтного оборудования систем электроснабжения и актуальность выбранной темы, определены методы решения поставленных задач и сформулирована цель работы. Объем введения — не более двух страниц.

Основные результаты работы. В первой и последующих главах должны быть представлены результаты работы согласно заданию. Каждая глава должна заканчиваться выводами, в которых в краткой форме даются результаты данного этапа работы и конкретизируются задачи и методы их решения в последующих главах.

Заключение. В заключении формулируются главные выводы проектирования, показывающие достигнутый уровень в решении проблемы. Объем заключения — обычно одна страница.

Список литературы. В список, с указанием библиографических данных, включается литература по усмотрению автора пояснительной записки. Если в работе сделаны ссылки на научную информацию, позволяющую принять конкретное решение, включение в список литературы первоисточника обязательно.

Пояснительная записка печатается на принтере (кегль 12) через полтора интервала. Для разворотных таблиц и рисунков допускается формат A3 (297x420 мм). Заголовки таблиц, названия схем можно печатать через один интервал.

Напечатанный текст должен иметь поля следующих размеров:

• верхнее и нижнее — 25 мм;

Абзацный отступ равен пяти знакам. Заголовки глав и параграфов отделяются от текста сверху и снизу тремя интервалами. Текст печатается строчными буквами. Заглавными (прописными) буквами печатаются аббревиатуры, а также названия глав, слова "Введение" и "Заключение". Знаки, символы, обозначения, а также математические формулы могут быть набраны на компьютере или вписаны от руки тушью (чернилами, пастой) черного цвета. Вписываемые символы должны иметь размер не менее машинописного шрифта, надстрочные и подстрочные индексы, показатели степени могут быть меньших разменов, но не менее двух миллиметров по высоте.

В тексте должна быть соблюдена соподчиненность глав, параграфов и пунктов.

Нумерация глав параграфов выполняется арабскими цифрами, которые отделяются от названий точкой. Номер параграфа состоит из цифры, обозначающей номер главы, и цифры, обозначающей его порядковый номер в составе главы, отделенных друг от друга точкой.

Каждая глава пояснительной записки начинается с новой страницы.

Страницы пояснительной записки нумеруются от титульного листа и до последнего, цифра 1 на титульном листе не ставится. Нумерация страниц выполняется арабскими цифрами внизу справа.

Приложения нумеруются арабскими цифрами (без значка №) и имеют названия.

Ориентировочный объем пояснительной записки — в среднем 20-25 страниц.

Графическая часть выполняется в соответствии с требованиями ГОСТа ЕСКД на одном листе формата А3 и должна содержать принципиальные электрические схемы щит, указанных преподавателем. Перечень элементов можно не оформлять. Типы используемых реле приводятся в пояснительной записке.

В учебной конструкторской документации допускаются некоторые особенности заполнения основной надписи (см. прил. 3.). В графы, номера которых ниже даны в скобках, вписываются:

• в (1) - наименование чертежа в именительном падеже (первое слово - имя существительное);

• в (2) - обозначение документа. Для курсовых проектов рекомендуется следующее обозначение:

где 1 - название вуза;

2 - шифр специальности;

3 - шифр работы (5 - курсовая работа);

4 - номер документа (пояснительная записка - 00);

5 - код документа (ЭЗ - схема электрическая принципиальная);

• в (3) - буквенное обозначение документа (курсовой проект - К);

При выполнении графического материала желательно использование системы AutoCad или графического редактора MSVisio.

После защиты чертеж складывается по форме, приводимой в прил.3.

2. ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ РАБОТ

Разработка первичных преобразователей для диагностического комплекса силового трансформатора.

Разработка элементов системы обработки информации для диагностического комплекса силового трансформатора.

Разработка первичных преобразователей для диагностического комплекса высоковольтного выключателя.

Разработка элементов системы обработки информации для диагностического комплекса высоковольтного выключателя.

Разработка элементов системы тепловизионного мониторинга высоковольтного оборудования электрической подстанции.

Разработка элементов системы электрошумового мониторинга высоковольтного оборудования электрической подстанции.

Разработка элементов системы вибрационного мониторинга высоковольтного оборудования электрической подстанции.

Разработка элементов системы СВЧ мониторинга высоковольтного оборудования электрической подстанции.

3. АНАЛИЗ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Схема системы электроснабжения промышленного предприятия, для которой предстоит разработать средства автоматизированного анализа и управления состоянием высоковольтного оборудования, выдается студенту вместе с заданием на курсовую работу.

Перед выполнением курсовой работы необходимо глубоко изучить эту схему, кратко описать в пояснительной записке ее основные элементы, проанализировать достоинства и недостатки.

Электроснабжение промышленных предприятий обычно осуществляется питающими линиями 10(6) кВ от распределительных устройств того же напряжения электростанций или крупных подстанций (рис. 1, а). Применяется также питание от указанных источников, но по линиям более высокого напряжения (35—220 кВ) с помощью подстанций глубокого ввода (ПГВ) [1]. Соответствующая схема приведена на рис. 1, б. В первом случае на предприятие вводят питающие линии от центров питания до главных понизительных подстанций (ГПП) или центральных распределительных пунктов (ЦРП).

Распределительные сети 10(6) кВ связывают ГПП и ЦРП с распределительными пунктами, цеховыми понизительными или преобразовательными подстанциями (ТП, П11) и крупными электроприемниками.

Кабельные распределительные сети 6 и 10 кВ промышленного предприятия обычно состоят из радиальных линий (см. рис. 1, а). Надежность электроснабжения ответственных электроприемников обеспечивается за счет питания от двух независимых источников или от двух систем шин (секций) одного источника, а также применения устройств автоматического включения резерва. Параллельная работа предусматривается обычно только для питающих линий.

При больших токах нагрузки (2000 А и выше) для питания цеховых подстанций применяются токопроводы с жесткими шинами или гибкими проводами. Токопроводы существенно отличаются от воздушных и кабельных линий электропередачи механическими и электрическими параметрами [2]. При использовании токопроводов схема электроснабжения цеховых понизительных и преобразующих подстанций строится по магистральному принципу (рис. 3). В схемах с глубоким высоковольтным вводом (см. рис. 1, б) распределительные устройства ПГВ выполняют роль распределительных подстанций.

Рис. 1. Схемы электроснабжения промышленных предприятий: а с питающими кабельными линиями10(6) кВ; б - с высоковольтным вводом 110 кВ Рис. 2. Схема электроснабжения промышленного предприятия с применением

4. ВЫБОР МЕСТ УСТАНОВКИ И ТИПОВ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

При выборе мест установки и типов средств автоматизированного анализа и управления состоянием высоковольтного оборудования целесообразно руководствоваться информацией, представленной в табл.1. Типовая схема подключения средств автоматизированного анализа и управления представлена на рис. 3.

Количество контроля Количество каналов датчиков сопел Диапазон измерения характеристик, с Погрешность характеристик, мс Диапазон измерения скорости, м/с Погрешность измерения скорости, % Диапазон измерения хода, мм Дискретность перемещений, мм Погрешность датчиком ДП21, град.

Порог срабатывания защиты силового коммутатора при превышении тока, А Максимальный коммутатора, А При постоянном напряжении В Напряжения сети при 50Гц,В Диапазоны измерения сопротивления штатного резистивного датчика элегазовых выключателей, Ом Диапазон измерения тока, А Габариты измерительного блока (ширина *высота * глубина), мм Масса измерительного блока, кг Масса укладочного ящика с ЗИП, кг Температурный диапазон эксплуатации измерительного блока,°C

5. ВЫБОР И РАСЧЕТ СЕЧЕНИЙ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ

В простейшем случае выбор сечений проводов и кабелей подключения средств автоматизированного анализа и управления состоянием высоковольтного оборудования производится с использованием таблицы экономической плотности тока (табл. П.2) и формулы F=I/jэк, где I - расчетный ток линии, А; jэк — рекомендуемая экономическая плотность тока. Выбирается ближайшее стандартное сечение, превышающее результат расчета.

Однако выбор проводов и кабелей таким способом не соответствует минимуму приведенных затрат. Графики зависимостей приведенных затрат от силы тока в линии 3 =f(I) для стандартных сечений представляют собой серию пересекающихся параболических кривых. Абсциссы точек пересечения этих графиков соответствуют значениям силы тока 7, при которых целесообразен переход от одного сечения к другому, т.е. определяют границы экономических интервалов сечений. С использованием зависимостей 3=f(I) построены номограммы экономических интервалов для линий электропередачи различных напряжений и исполнений. Эти номограммы, а также данные табл. П.3 и графики рис. П.1 и рис.

П.2 обычно используют для определения сечений проводов и кабелей. В приложении на рис. П.З - П.8 приведены номограммы для ряда воздушных и кабельных линий. Для выбора сечений кабелей можно воспользоваться данными табл. П.4 и П.5. При этом длительно допустимое значение силы тока Iдоп определяется выражением Iдоп = Iрасч /Kпер * Kсн, где Iрасч = Sнагр/ Uном ; Kпер коэффициент допустимой перегрузки (табл. П.6); Kсн - коэффициент снижения (табл. П.7).

6. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Расчет токов к.з. необходим для правильного выбора элементов и настроек диагностических средств автоматизированного анализа и управления состоянием высоковольтного оборудования систем электроснабжения, для проверки их чувствительности в зоне действия и отстроенности от оборудования вне этой зоны.

В электроустановках переменного тока напряжением выше 1000 В расчет токов к.з.

должен проводиться в соответствии с ГОСТ.

Для расчета токов трехфазных к.з. целесообразно воспользоваться схемой замещения прямой последовательности. Составление такой схемы заключается в замене элементов сети на исходной схеме их сопротивлениями для токов прямой последовательности и выборе расчетных точек к.з. Сопротивления всех элементов определяются в Омах по формулам табл.2. При этом за расчетные принимаются следующие средние значения напряжений UСр.ном: 3,15; 6,3; 10,5; 37; 115; 230; 340;

515; 770; 1150 кВ.

Любая обобщенная нагрузка, синхронная или асинхронная машина Sном б) при известной мощности к.з. XC= U2ср.ном Для выбора средств автоматизированного анализа и управления состоянием высоковольтного оборудования необходимо рассчитать токи трехфазных к.з. в определенных характерных точках. На каждой линии намечается, как минимум, три расчетные точки - в начале, середине и конце, что позволяет при выборе защит построить кривую изменения первичного тока в защите при перемещении точки к.з. вдоль линии. Если на линии есть ответвление, к которому подключается подстанция, то допустимо разделить линию на части в соответствии с местоположением ответвления. К расчетным точкам относят также шины подстанций, стороны высшего и низшего напряжений трансформаторов.

Погонные активные и индуктивные сопротивления проводов и кабелей приведены в табл. П.8 и П.9.

В современных энергосистемах токи при несимметричных к.з. и замыканиях на землю иногда превышают токи трехфазных к.з. В связи с этим возникает последовательностей.

последовательности, за исключением сопротивлений синхронных и асинхронных машин. Для генераторов обычно принимают X2 = 1,22Xd", для нагрузки — Х2н = 0,35X1н.

Схема нулевой последовательности сильно отличается от схемы прямой последовательности линий и сопротивления трансформаторов с соединением автотрансформаторов, В табл. 3 даны сопротивления нулевой последовательности ряда элементов, выраженные через сопротивления прямой последовательности.

Одноцепная ВЛ:

Двухцепная ВЛ:

Трансформаторы:

7. ПРИМЕР ВЫБОРА ТИПА И СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯСРЕДСТВ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ

СОСТОЯНИЕМ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

высоковольтных выключателей ПКВ/М6, ПКВ/М7, ПКВ/У3.

На первом этапе, руководствуясь табл. 4, определим типы масляных, элегазовых, вакуумных и электромагнитных выключателей, для контроля которых адаптированы приборы ПКВ/М6, ПКВ/М7 и ПКВ/У3.

выключате ЭлектроМагнитные Вращательное ДП21 ВЭ-6, ВЭС- Вакуумные Специальное устройство из ЗИП ВБН-27,5, ВБН-35, ВБУ-35, ВБЦ-35, Воздушные Датчик не используется ВВБ-750, ВВБ-500А, ВВБК-500, ВВД-330, На следующем этапе уточняется возможность контроля выбранными приборами параметров выключателя перед началом ремонта (для выявления скрытых дефектов), после завершения ремонта (для подтверждения качества его выполнения), а также при профилактических обследованиях состояния измерении комплекса характеристик при пуске выключателя и дальнейшем анализе полученных значений.

характеристики хода контролируются с помощью точных цифровых датчиков линейных (ДП12) и угловых (ДП21) перемещений, входящих в комплект контролируются либо с помощью датчиков линейных (ДП12) или угловых потенциометрических датчиков выключателя. Для некоторых типов вакуумных выключателей скоростные характеристики измеряются посредством штатных контактных датчиков выключателя.

Кроме таблиц цифровых значений параметров, информацию о состоянии выключателей можно извлечь из следующих регистрируемых графиков зависимости токов и напряжения электромагнитов от времени или от зависимости процессов замыкания и размыкания контактов полюсов выключателя от времени или от хода.

В качестве примера на рис. 4 приведена схема подключения прибора к выключателю, имеющему 4 разрыва на полюс, при использовании местного пуска.

Привод выключателя Рис.4. Схема подключения прибора к выключателю, имеющему 4 разрыва на полюс, 1 датчик перемещения (ДП12 или ДП21); 2 измерительный стержень (для датчика ДП12; 3 полюс выключателя; 4 сетевой кабель; 5 кабель питания коммутатора; кабель местного пуска; 7 кабель датчика; 8 кабели полюсов А, В, С, D; 9 блокконтакты выключателя (БК); 10 токовые клещи КЭИ-м.

8. ПРИМЕР ВЫБОРА СЕЧЕНИЙ ПРОВОДОВ ВЛ 110 КВ

Исходные данные: напряжение Uн = 110кВ; максимальный ток Imах = 100А;

количество часов использования максимума Тmах = 5000 ч/год; нормативный коэффициент эффективности введения линии в строй Ен = 0,15; климатическая зона — центр России; тип опор - стальные, одноцепные. Для выбора сечения проводов применим метод экономических интервалов. Во-первых, по табл. П. находим нормативный коэффициент амортизации ра = 0,024.

Далее, используя график рис. П.1, по заданному значению Тmах=5000 ч/год находим значение времени потерь Т=3000 ч/год.

С учетом климатической зоны по графику зависимости Сэ = f () (рис. П.2) определяем удельную стоимость потерь энергии Сэ 2,35 руб/кВт-ч.

Вычисляем значение:

На рнс.П.5 по значениям Imах=100А и находим точку N1, попадающую в зону экономического сечения Fэк= мм2.

9. ПРИМЕР ВЫБОРА СЕЧЕНИЯ ЖИЛ ТРЕХФАЗНОГО КАБЕЛЯ

Исходные данные: напряжение Uн =10кВ; мощность нагрузки Sнагр = 2000 кВ А, материал жил — алюминий; тип линии — одиночный кабель в траншее.

Определяем длительно допустимую токовую нагрузку коэффициента снижения находим в табл. П.6 и П.7: Кпер=1,3; Ксн =1. Таким образом, Iдоп=89А.

Далее по табл. П.5 для ближайшего большего тока длительно допустимой нагрузки (90 А) находим рекомендуемую площадь поперечного сечения жилы

ПРИЛОЖЕНИЯ

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Методы и средства диагностики студенту гр. _ Вариант_ Для системы электроснабжения в соответствии с номером варианта необходимо выполнить следующее.

Дать краткую характеристику системы с указанием назначения ее основных элементов.

• Произвести расчет сечений и выбор проводников следующих линий:

Произвести расчет основных параметров следующих средств диагностики высоковольтного оборудования систем электроснабжения _ Разработать схемы подключения перечисленных средств автоматизированного анализа и управления состоянием высоковольтного оборудования систем электроснабжения Оформить работу аналитического характера, а также расчеты и комментарии к ним в виде пояснительной записки.

Исходные данные для выполнения курсового проекта.

• Типы и параметры трансформаторов_ _ • Типы и параметры линий: _ • Типы и параметры средств диагностики высоковольтного оборудования: _ • электродвигателей: _ _ номер, тип, параметры • _ Сопротивление системы: _ _ Дата выдачи задания: _ _ Срок сдачи курсовой работы _ _ Руководитель проекта: Подпись руководителя

СХЕМА СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

ОСНОВНАЯ НАДПИСЬ. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ

ная

ПОРЯДОК ОФОРМЛЕНИЯ ЧЕРТЕЖА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ

Н Наименование элементов Голые провода и шины, алюминиевые:

- европейская часть РФ, Забайкалье, Кабели с бумажной и провода с резино вой и полихлорвиниловой изоляцией с алюминиевыми жилами:

- европейская часть РФ, Забайкалье, - Центральная Сибирь Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией с алюминиевыми жилами:

- европейская часть РФ, Забайкалье, Нормы ежегодных отчислений на амортизацию и обслуживание, в относительных единицах проводников системы Кабельные линии до 10 кВ:

- со свинцовой оболочкой, - с алюминиевой оболочкой, - с пластмассовой изоляцией, Кабельные линии до 20-35 кВ проложенные в земле Кабельные линии до 110- Воздушные линии до 20 кВна железобетонных опорах Воздушные линии до 20 кВ железобетонных опорах Воздушные линии 35-220 кВ 0,049 0,005 0, на деревянных опорах Силовое электротехническое 0,064 0,04 0, устройства: до 20 кВ 35- Основные расчетные данные трехфазных кабелей с алюминиевыми жилами Напряжение, кВ Сечен Длительно допустимая Потери в Длина кабеля на Допустимые перегрузки кабелей 6-10 кВ в нормальных режимах Место про- Предварите Допустимые перегрузки (по отношению к кладки кабеля нормальной нагрузке) в течение времени Коэффициенты снижения на число работающих кабелей, Активные и индуктивные сопротивления трехжильных кабелей с Формулы для определения расчетных токов в реле максимальных токовых защит при Примечание. - ток трехфазного к.з., приведенный к напряжению той питающей стороны, где установлена рассматриваемая защита;n - коэффициент трансформации трансформаторов тока этой защиты.

Формулы для определения расчетных токов в реле максимальных токовых защит (10) кВ при однофазных к.з. на стороне 0,4 кВ трансформаторов /Yи / Примечание. —полный ток однофазного к.з. на стороне 0,4 кВ, приведенный к напряжению питающей стороны трансформатора, где установлена максимальная токовая защита; n — коэффициент трансформации трансформаторов тока этой защиты.

Сопротивление масляных трансформаторов новых типов с Мощность Схема соединений звезда - звезда 2. Схема 1. Схема соединений звезда 3. Схема соединений звезда выведеннойнейтралью выделеннойнейтралью Примечание. Для трансформаторов с низшим напряжением 230-127 В указанное в таблице сопротивление должно быть Овчаренко Н.И. Автоматизированный анализ состояния высоковольтного оборудования. М.: Изд. дом МЭИ. 2009. 473с.

2. Дьяков А.Ф., Овчаренко Н.И. Микропроцессорная автоматика и релейная защита электроэнергетических систем. М.: Изд. дом МЭИ. 2010. 610 с.

3. Таев И.С. Электрические аппараты управления. М.: Энергоатомиздат. 2003. 342 с.

4. Михеев Г.М. Цифровая диагностика высоковольтного оборудования. М.: Изд. дом «ДОДЭКА».. 2008. 298 с.

5. Диагностические приборы СКБ энергетического приборостроения. Техническое описание. Иркутск. 2012. 143 с.

6. Фалин Ю.М. Интеллектуальные системы анализа и управления в системах электроснабжения. М.: Изд. дом «ДОДЭКА».. 2009. 318 с.

7. Алексеев, О.В. Высоковольтные аппараты / О.В. Алексеев, В.А. Фёдоров, С.И.

Резин.– М.: Энергоатомиздат, 2001. – 372 с. – ISBN 978-5-4634-4321-2.

8. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. Учебник НГТУ. Новосибирск: 9. Энергетическая электроника: справочное пособие / Под ред. В.А. Лабунцова. – М.:

Энергоатомиздат, 2002. – 441 с. – ISBN 978-5-364-00531-1.

10. Зиновьев Г.С. Прямые методы определения диагностических показателей высоковольтных преобразователей. Учебник НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ.

11. Электротехнический справочник/ Под ред. В.Г. Герасимова-М.: Энергоатомиздат.

12. Электронное средство обучения по дисциплине «Средства и методы диагностики высоковольтного оборудования» / Комплект из 52 слайдов. Составитель В.А.

Шахнин.– Владимир: ВлГУ.