Бардик Є.І., к. т. н., Безбереж’єв Ю.В.

МОДЕЛЮВАННЯ ВИСОКОВОЛЬТНИХ ВИМИКАЧІВ ДЛЯ ОЦІНКИ КОМУТАЦІЙНОГО І ЗАГАЛЬНОСПРАЦЬОВАНОГО РЕСУРСУ

Національний технічний університет України "КПІ"

Високовольтні вимикачі, які використовуються в сучасних електричних системах, відносяться до найбільш важливих комутаційних апаратів від надійності функціонування яких в значній мірі залежить стійке електропостачання споживачів як в нормальних так і в аварійних режимах. В зв'язку з цим актуальними є питання контролю та діагностування їх технічного стану для забезпечення своєчасного виявлення дефектів і неполадок, як в режимі реального часу так і при проведені планових і позапланових ремонтів.

Система технічного і ремонтного обслуговування, що склалася впродовж багатьох років з чіткою регламентацією термінів і видів планових ремонтів не здатна забезпечити надійну роботу такого обладнання. Зношений вимикач після чергового ремонту може просто не допрацювати до наступного по плану ремонту. За кордоном уже тривалий час з успіхом використовують безперервний контроль (моніторинг) технічного стану вимикачів під робочою напругою, що дає можливість своєчасно виявляти несправності і перейти до системи виконання ремонтів "за станом". Але такі системи є дуже дорогі і їх застосування виправдане тільки для відповідальних об'єктів. Важливим є визначення допустимої кількості відключень коротких замикань (КЗ) високовольтного вимикача.

При проектуванні і в умовах експлуатації зазвичай невідомо, як часто і якого значення буде вимикати струм вимикач. На працюючих електроустановках в ряді випадків відсутні архівні відомості про кількість коротких замикань і величинах комутуємих струмів. Відсутність цієї інформації не дозволяє достеменно визначати залишковий ресурс вимикачів і повністю використати їх ресурс.

В [1] викладена методика по визначенню витрат комутаційного ресурсу вимикачів при експлуатації. В цій методиці розглянуто всі можливі способи задання комутаційного ресурсу вимикача і дані рекомендації щодо побудови кривих залежності допустимої кількості відключень від струму. Рекомендований спосіб побудови кривих залежності допустимої кількості відключень не достатньо точний внаслідок малої кількості необхідних вихідних даних допустимої кількості відключень на всьому інтервалі можливих значень струму КЗ. В цій методиці також не наводяться відомості про комутаційний ресурс в області номінальних струмів вимикача. Для вимикачів приєднань, де часто виникають відключення і включення по режимним параметрам, цей показник може відігравати визначальну роль при вирішенні питань щодо виведення вимикача в ремонт. Але, незважаючи на ці недоліки, дана методика широко використовується для розрахунку комутаційного ресурсу і прогнозування допустимої кількості відключень вимикачів.

В методиці [1] розрахунок витрат комутаційного ресурсу за одне вимикання струму приймається рівним величині, яка обернена допустимій кількості вимикань при даному струмі:

,

де n_В1- допустима кількість вимикань вимикача при струмі І=І_кз

Для k операцій вимикання витрати комутаційного ресурсу дорівнюють:

,

Вимикач повинен бути виведений в ремонт, якщо при наступній комутації струму КЗ витрати комутаційного ресурсу можуть перевищити 1.

Умова виводу в ремонт вимикача має вигляд:

де n_в.min допустима кількість вимикань при максимальному струмі.

Відсутність інформації щодо величини комутуємих струмів КЗ в енергосистемах значно обмежує область застосування розглянутої методики. На сьогодні більшість існуючих традиційних моделей оцінки технічного стану і ресурсу вимикачів не дають можливості здійснити комплексну оцінку їх технічного стану внаслідок складності одержання детермінованої математичної залежності між складовими механічного та комутаційного ресурсів й об’єктивно існуючої неповноти і нечіткості інформації щодо відключення струмів короткого замикання та загальної кількості комутацій, що виконані вимикачем [1-3].

Задача комплексної оцінки технічного стану високовольтних вимикачів належить до категорії погано формалізованих і слабо структурованих задач внаслідок таких факторів: наявності різнорідної вхідної інформації (кількісні і якісні значення змінних), неповноти інформації, різночасності вимірювань параметрів об’єкта, невизначеності, яка зумовлена неможливістю адекватного математичного опису процесів внаслідок вимірювань змінних стану та недостатності ретроспективних даних про експлуатацію вимикачів [2,3].

Ці об’єктивно існуючи умови функціонування вимикачів електричної системи викликають необхідність використання нечітких моделей вимикачів, в яких можна подати різнорідну інформацію про об’єкт, включаючи також і суб’єктивну інформацію експертів.

Нечітка модель визначення загального спрацьованого ресурсу високовольтного вимикача розроблена на кафедрі електричних станцій НТУ України «КПІ» [2]. Разом з цим, в даній моделі не в повній мірі враховується об’єктивна існуюча залежність допустимої кількості комутацій від струму. Крім того, важливою задачею є обґрунтування адекватності розробленої моделі. Адекватність оцінки загального спрацьованого ресурсу вимикачів, зокрема, комутаційного ресурсу, суттєво залежить від точності визначення комутованого струму вимикачем. Для більшості вимикачів існує крива залежності допустимої кількості комутацій від сили струму n=f(t).

Для вимикача, що розглядається, вона має вигляд, представлений на рис. 1. (суцільні лінії). Апроксимована експоненціальною функцією з використанням методу найменших квадратів, ця залежність (рис. 1 – пунктирна лінія) може бути представлена -

_,

де B = -5,69 – постійний коефіцієнт; *, I* - поточне та номінальне значення струму в відносних одиницях.

При цьому величина спрацьованого комутаційного ресурсу за одну комутацію визначається як R_k=1/n(I*).

Залежності для n(I*) та R_k для повітряного вимикача мають вигляд:

_, R_k=1/n(I*).

Комутаційний ресурс вимикача згідно з методикою [3] визначається:

,

де - загальна кількість комутацій, що здійснена вимикачем, - допустима кількість комутацій для даного вимикача, - кількість комутацій конкретного струму, - струм, який комутується, кА - номінальний струм, кА/

Для розрахунку і порівняння за різним моделями комутаційного і загального спрацьованого ресурсу розглянемо повітряний вимикач типу ВНВ-330-40/4000У1, що має параметри, які подано в таблиці 2.

Для різних сполучень струмів короткого замикання комутованих вимикачем були виконані розрахунки загального спрацьованого і комутаційного ресурсу на основі нечіткої моделі, що враховує окрім спрацьованого механічного і комутаційного ресурсу також стан пневмосистеми та ізоляторів на моделі [3], що ґрунтується на врахуванні спрацьованого механічного та комутаційного ресурсів. Спрацьований комутаційний ресурс в нечіткій моделі визначаєтьсяза формулою:

,

де - кількість комутацій відповідного струму, разів. - кількість допустимих комутацій відповідного струму (рис.1).

Таблиця 2. Параметри повітряного вимикача.

	№ з/п	Параметр	Позн.	Знач.	Од. вим.
	1	Номінальний струм		4000	А
	2	Номінальний струм відключення КЗ		40	кА
	3	Механічний ресурс		1000	разів
Рис.1 Вихідна (суцільна) і апроксимована (пунктир) залежність n=f(I)

Механічний ресурс визначимо як відношення кількості проведених комутацій до кількості можливих комутацій

Вектор вхідних даних в нечіткій моделі містить чотири змінні та має вид:.

Результати моделювання по даним та їх порівняльна характеристика наведена в таблиці 3.

Таблиця 3. Результати визначення загального спрацьованого ресурсу ПВ.

№ з/п	Струм, кА					Всього комутацій	Допустима кількість комутацій	Rk, в.о.	Rm, в.о.	Нечітка модель, в.о.	Модель [3], в.о.	Δ, в.о.
	Число комутацій
1	20	22	25	30	34	7	10	0,7	0,014	0,783	0,81	-0,027
	3	1	1	1	1
2	23	25	29	31	34	6	10	0,6	0,012	0,896	0,998	-0,102
	1	2	1	1	1
3	21	27	28	30	33	5	10	0,5	0,01	0,907	0,921	-0,014

Висновки:

1. Визначення загального спрацьованого ресурсу доцільно виконувати на основі використання нечітких моделей, що враховують як якісну так і кількісну інформацію про об’єкт.

2. Проведені порівняльні розрахунки ресурсу працездатності повітряного вимикача, підтверджують адекватність нечіткої моделі та доцільність врахування експлуатаційних факторів при визначенні загального спрацьованого ресурсу високовольтних вимикачів.

Перелік посилань.

1. Шлейфман И.Л. Методические указананияпо определению коммутационного ресурса выключателей пои эксплуатации .- СПО ОРГРЄС. 1992.

2. Костерєв М.В., Бардик Є.І. Питання побудови нечітких моделей оцінки технічного стану об’єктів електричних систем. – К.: НТУУ «КПІ», 2011. – 148 с. (монографія).

3. Назарычев А.Н., Андреев Д.А. Методы и математические модели комплексной оценки технического состояния электрооборудования. – Иваново: ИГЭУ, 2005. – 224с.

4. Андреев Д.А., Назарычев Д.А. Анализ методов оценки коммутационного ресурса высоковольтных выключателей // Вестник ИГЭИ. – 2008. –Вып.5. – С.1 – 15.

5. Неклепаев Б.Н. , Востросаблин А.А. Методика оценки остаточного ресурса выключателей при эксплуатации . – Промэнергетика, 1992,№10