Разработка, изготовление и испытание прототипа устройства диагностики электрической изоляции по определению остаточного ресурса

Объектом исследования являются силовые трансформаторы разного класса напряжения от 10 кВ до 750 кВ и высоковольтные кабельные линии 6-35 кВ с пропитанной бумажной изоляцией. Целью НИОКР является разработка, изготовление и испытание прототипа нового устройства диагностики электрической изоляции для оценки остаточного ресурса изоляции силовых трансформаторов 10-750 кВ, высоковольтных кабельных линий 6-35 кВ, тяговых двигателей, проведение исследовательских испытаний методики и прототипа устройства. В качестве основных методов проведения работы использовались системный анализ, обобщение и систематизация существующих методов диагностики и диагностического оборудования изоляции высоковольтных трансформаторов и кабельных линий, моделирование и расчет процессов заряда и разряда неоднородной трехслойной изоляции средствами пакетов Mathcad и MatLab Simulink, математические методы аппроксимации данных по напряжению саморазряда и возвратного напряжения. В рамках данной НИОКР было определено, что универсальный неразрушающий метод диагностики высоковольтных трансформаторов и кабельных линий, позволяющий определить остаточный ресурс отсутствует. Разработана методика, в которой получены новые формулы расчета остаточного ресурса по напряжению саморазряда и возвратному напряжению для печных трансформаторов; показана необходимость разложения кривой напряжения саморазряда на составляющие экспоненты; доказана эффективность метода Маркуата-Нэша по определению величин начального напряжения и постоянных времени на слоях изоляции высоковольтных кабельных линий; предложен алгоритм управления высоковольтными ключами прототипа устройства. Предложена методика для электрических машин, трансформаторов и аппаратов с большой постоянной времени, позволяющая точно определять установившееся значение сопротивления изоляции с учетом сокращения времени измерения. Для прототипа устройства определены допустимые значения его комплектующих: сопротивления внутреннего источника напряжения - Rв ≤ 1 МОм, разрядного резистора - Rр ≤ 1МОм и датчика напряжение - Rдн не менее 20 ГОм. Разработана конструкция уникальных модулей прототипа устройства: плата сопряжения и управления модулями устройства, плата датчика напряжения и плата датчика тока, а также конструкция корпуса. По разработанному эскизному проекту изготовлен прототип устройства диагностики электрической изоляции. Проведены испытания разработанной методики, которые подтвердили ее адекватность для проведения диагностики трансформаторов. Для диагностики кабельной линии было выявлено, что оптимальное время заряда составляет 10 минут и это позволит достичь точной оценки состояния изоляции с сокращением продолжительности испытаний. В результате проведенных исследований была разработана и предложена новая система оценки состояния кабеля, основанная на весовых коэффициентах, что позволит определить остаточный ресурс и повысить точность прогнозирования срока службы кабельных линий с ПБИ. В программу Izol Professional были внедрены новые циклограммы испытаний, включая режим заряда и разряда по 10 минут, что позволяет управлять прототипом устройства и обеспечивает автоматизацию процесса испытаний. Разработан алгоритм определения диагностических параметров высоковольтных кабелей с ПБИ по напряжению саморазряда. Тестирование прототипа устройства диагностики для различных значениях испытательного напряжения (500 В, 1000 В, 2500 В, 6000 В), а также оценка погрешностей измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения подтвердили, что алгоритм и работа устройства были построены верно и свидетельствуют о достоверности полученных результатов. Проведены натурные испытания кабелей разной длины и отличающимися условиями эксплуатации, дана оценка состояния кабелей, а также рекомендации по их дальнейшей эксплуатации. Выполнено сравнение полученных результатов с другими методами контроля состояния кабелей. В ходе проведенных испытаний прототипа устройства диагностики электрической изоляции удалось выявить несколько причин некорректной работы и произвести успешную доработку конструкции. После синтеза элементов печатных плат модулей и экранирования корпуса устройства был создан опытный прототип, который успешно прошел тестирование и натурные испытания. Разработаны технические условия и руководство по эксплуатации прототипа устройства. Эти результаты позволяют сократить время измерений без потери достоверности результата, способствуют улучшению электромагнитной совместимости прототипа устройства, подтверждают исправность и эффективность разработанного прототипа и позволяют с большой уверенностью использовать устройство для проведения измерений в реальных условиях. Исследование подчеркивает важность продолжения разработки в данной области и могут служить основой для будущих научных работ, направленных на улучшение качества и эффективности диагностики. По результатам работы опубликовано 4 научные статьи в журналах из перечня ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «RASCOVAZS», которая рассчитывает коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности, с целью выявления одной из причин снижения остаточного ресурса электрооборудования. Получен патент на полезную модель: «Устройство для контроля качества электрической изоляции» № 223677 28.02.2024. По итогам выполнения НИОКР цель была достигнута. Запланированный объем работ выполнен полностью: 1. Проведен анализ существующих методов диагностики трансформаторов и высоковольтных кабельных линий, выявлены их недостатки, разработан новый метод диагностики. 2. Смоделирована работа устройства диагностики электрической изоляции. 3. Разработана эскизная конструкторская документация на прототип устройства. 4. Изготовлен прототип устройства диагностики электрической изоляции, измеряющего остаточный ресурс изоляции трансформаторов и кабельных линий. 5. Проведены исследовательские испытания разработанной методики. 6. Скорректирована методика по результатам испытаний. 7. Проведено тестирование прототипа устройства диагностики электрической изоляции. 8. Проведены натурные испытания прототипа устройства диагностики электрической изоляции. 9. Проанализированы результаты испытаний, доработан прототип устройства диагностики электрической изоляции. 10. Разработаны технические условия и инструкция по эксплуатации на прототип устройства диагностики электрической изоляции.