Коржов Антон Вениаминович
КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ КАБЕЛЬНЫХ
ЛИНИЙ 6(10) кВ С БУМАЖНОЙ ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Специальность 05.09.02 – Электротехнические материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
Челябинск – 2016
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно- Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) на кафедре «Электрические станции, сети и системы».
Официальные оппоненты: Похолков Юрий Петрович, д. т. н., профессор, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», заведующий кафедрой «Организация и технология высшего профессионального образования»
Таджибаев Алексей Ибрагимович, д. т. н., профессор, ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», заведующий кафедрой
«Диагностика и управление техническим состоянием энергетического оборудования»
Сытников Виктор Евгеньевич, д. т. н., старший научный сотрудник, АО «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы», заместитель научного руководителя
Ведущая организация – ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Защита состоится 26 октября 2016 г. в аудитории 908, в 15 часов 00 минут, на заседании диссертационного совета Д 520.026.02 при ОАО «Всероссийский
научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический
институт кабельной промышленности» по адресу: 111024, г. Москва, шоссе Энтузиастов, дом 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ОАО «ВНИИКП» по адресу: http://vniikp.ru/files/Dissertation_Korzhov_AV.pdf
Автореферат разослан « ___ » ___________ 2016 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111024, г. Москва, шоссе Энтузиастов, дом 5, диссертационный совет Д 520.026.02 при ОАО «ВНИИКП», тел.: (499) 670-97-00, факс: (495) 362-01-73. E-mail: irovchinnikova@gmail.com
Учёный секретарь
диссертационного совета,
кандидат технический наук Овчинникова Ирина Александровна
Актуальность проблемы. В нашей стране и за рубежом большое распро- странение получили кабельные линии напряжением 6(10) кВ (КЛ), которые со- ставляют основу городских электрических сетей. Их протяжённость достигает нескольких сотен тысяч километров. В основном это кабели с бумажной пропи- танной изоляцией (БПИ), как правило, с большим сроком эксплуатации, что обу- славливает необходимость разработки мероприятий по повышению эффективно- сти и надёжности их эксплуатации. Так, по рассматриваемым в данной работе го- родам Челябинску и Нефтекамску доля кабелей с БПИ составляет более 95 %.
Начинают внедряться в эксплуатацию кабели с изоляцией из сшитого полиэтиле- на, однако, по данным ВНИИКП, их доля выпуска на 2012 г. для сетей среднего напряжения составляла менее 42 %.
В условиях эксплуатации время до пробоя изоляции, как правило, значитель- но меньше 30 лет, несмотря на то, что гарантийный срок службы изоляции опре- делён с учётом прогнозируемых воздействующих режимных факторов. Данное противоречие характеризуется комплексом проблем и может быть разрешено только выявлением причин их возникновения путём развития и уточнения зако- номерностей повреждаемости и старения изоляции кабелей в условиях эксплуа- тации с учётом многофакторных воздействий. К наиболее исследованным факто- рам следует отнести воздействие электрического и теплового полей. Несмотря на значительное количество работ, выполненных ранее в данной области, необхо- дима оценка влияния и других эксплуатационных факторов, даже если они могут иметь малое влияние на процесс старения изоляции. Вопросам воздействия фак- торов, связанных с принятыми проектными и эксплуатационными решениями, ролью персонала, электродинамическим воздействием, с влиянием магнитной со- ставляющей электромагнитного поля кабеля (ЭМП) на формирование частичных разрядов (ЧР), пробои изоляции и коррозионные процессы, уделено недостаточ- ное внимание. Данные факторы, воздействуя в комплексе с электрическим и теп- ловым полями, могут в ряде режимов работы приводить к ускорению старения изоляции. Проблемы по оценке каждого фактора носят сложный, комбинирован- ный характер с многочисленными конкурирующими процессами. Необходим дальнейший поиск связей с изучением физико-химических механизмов их влия- ния и оценкой воздействия указанных факторов на ресурс изоляции кабелей, а также разработка методов повышения надёжности эксплуатации КЛ.
Большой вклад в исследование отказов КЛ, выработки ресурса изоляции, разработки и внедрения методов диагностики, оценки условий надёжности и безопасности внесли такие учёные, как М.А. Боев, М.Э. Борисова, С.М. Брагин, Г.А. Воробьёв, П.А. Долин, А.Ф. Дьяков, К.П. Кадомская, М.К. Каменский, В.А. Канискин, Б.А. Князевский, С.Н. Койков, Б.И. Кудрин, Г.С. Кучинский, Э.Т. Ларина, Г.М. Лебедев, В.Е. Манойлов, В.Т. Медведев, Г.И. Мещанов, А.Х. Мусин, Ю.В. Образцов, В.Л. Овсиенко, И.Б. Пешков, Ю.П. Похолков, В.А. Привезенцев, Г.Г. Свалов, С.В. Серебрянников, А.И. Таджибаев, Б.М. Тареев, С.Д. Холодный, Е.Ф. Цапенко, Г.М. Шалыт, М.Ю. Шувалов, M. Ahmad, E. Gulski, D.M. Hepburn, A.J. Reid, R. Sarathi и др.
Повышение долговечности и надёжности изоляции КЛ в условиях эксплуата- ции городских сетей возможно путём разработки мероприятий по совершенство- ванию методов настройки устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА) с оп- тимизацией проектных и эксплуатационных решений. Следует отметить, что су- ществующие в настоящее время методы настройки РЗиА в распределительных сетях 110/6(10) кВ не могут обеспечить условия полной селективности и невозго- рания изоляции кабелей без замены на кабель большего сечения. Это приводит к усилению воздействия режимных факторов на изоляцию при коротких замыка- ниях (КЗ), особенно факторов, связанных с магнитным полем кабеля. При этом, согласно ГОСТ Р МЭК 60986-2009, научные и экспериментальные данные о по- ведении кабелей в условиях КЗ немногочисленны. Предусматриваемые в России правилами устройства электроустановок плановые испытания КЛ повышенным напряжением до шестикратного от номинального также способствуют более ран- нему выходу из строя изоляции.
Согласно ГОСТ 12.2.007.14, к кабелям и кабельной арматуре устанавливаются требования по электро- и пожарной безопасности. Пробои изоляции КЛ в город- ских распределительных сетях связаны с восстановительными и диагностически- ми работами и, как следствие, с безопасностью их эксплуатации и повышением вероятности появления опасных для человека напряжений прикосновения и шага.
Диагностирование вероятных пробоев изоляции кабелей 6(10) кВ по ретроспек- тивным данным и прогнозирование опасных зон для человека с развитием мето- дик проведения безопасных восстановительных работ и способов прокладки КЛ улучшат условия безопасности их эксплуатации. Следует отметить, что разрабо- танные методы прогнозирования технических показателей КЛ были ориентиро- ваны на стабильные и стационарные условия развития городских сетей. В усло- виях появления многих субъектов в электроэнергетике и факторов неопределён- ности необходима разработка многоцелевых методов для повышения эффектив- ности и надёжности эксплуатации КЛ. Кроме того, принятую на сегодняшний день систему сбора информации по КЛ в виде разрозненных документов следует считать морально устаревшей и непригодной для оценки обратных связей влия- ния проектных и эксплуатационных решений на поток отказов. При этом следует отметить, что в положениях разработанной Концепции по обеспечению надёжно- сти в электроэнергетике РФ (руководитель работы: чл.-корр. РАН Н.И. Воропай) указывается на приоритетную необходимость исследования и разработки мето- дов ретроспективного анализа и прогнозирования с выявлением проблемных мест, учётом природно-климатических воздействий и человеческого фактора.
Таким образом, исследование путей дальнейшего повышения эксплуатацион- ной надёжности и безопасности КЛ 6(10) кВ как главного звена городских элек- трических сетей в комплексе с ретроспективными данными, грунтово- метеорологическими и электромагнитными параметрами, человеческим факто- ром и устройствами РЗиА является важной научно-технической проблемой.
Объектом исследования являются кабельные линии 6(10) кВ с бумажной пропитанной изоляцией, эксплуатируемые в городских электрических сетях,
с учётом комплекса из ретроспективных данных, грунтово-метеорологических и электромагнитных параметров, человеческого фактора и устройств РЗиА.
Предметом исследования являются методы анализа и прогнозирования по- вреждаемости КЛ на основе вероятностно-статистического подхода, учитываю- щего закономерности влияния режимных и эксплуатационных факторов, включая электромагнитные, коррозионные, тепловые процессы, на состояние изоляции кабелей и способы обеспечения её термической стойкости средствами РЗиА в условиях развития городской электрической сети.
Цель диссертационной работы – повышение эксплуатационной надёжности и безопасности кабельных линий 6(10) кВ в условиях развития городских элек- трических сетей, что достигается за счёт разработки новых подходов и методов исследования с оптимизацией их работы как главного звена в комплексе, учиты- вающем ретроспективные данные, грунтово-метеорологические и электромаг- нитные параметры, антропогенный «человеческий фактор» и интегральное влия- ние режимов сети с устройствами РЗиА.
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие группы задач:
1. Исследовать на стадии эксплуатации комплекс причин повреждаемости КЛ, разработать методику сбора и анализа отказов КЛ на основе изучения ретроспек- тивных данных как полноценного ресурсного эксперимента:
с помощью указанной методики определить слабые звенья в проектных и эксплуатационных решениях, оценить циклы работы КЛ в рабочих и аварийных режимах, используя результаты для моделирования ресурсных эксперименталь- ных исследований и прогнозирования повреждаемости изоляции;
исследовать влияние на состояние изоляции КЛ грунтово- метеорологических параметров путём моделирования напряжённо- деформированных состояний в звене «КЛ – грунт» в течение годового цикла и оценки теплового режима работы кабеля с учётом принятых уставок РЗиА;
оценить ретроспективную динамику изменения состояния изоляции КЛ с учётом положения кабеля в схеме фидера городской распределительной сети и интегрального влияния режимов КЗ при принятом методе выбора уставок РЗиА;
оценить эффективность испытаний КЛ повышенным напряжением вы- прямленного тока по изменению параметров ЧР в изоляции.
2. Разработать методы экспериментальных и теоретических исследований по оценке влияния магнитной составляющей ЭМП кабеля на процессы:
коррозии защитных оболочек кабеля 6(10) кВ (на примере алюминиевых) с оценкой распределения электромагнитного поля кабеля;
частичных разрядов и условия формирования пробоя в моделях изоляции и действующих КЛ с учётом режимов их работы в распределительной сети.
оценить влияние механических воздействий, обусловленных электродина- мическим взаимодействием жил, на изоляцию КЛ в рабочих и аварийных режи- мах работы кабеля, с учётом эквивалентного цикла КЗ в элементах схемы сети и принятых уставок РЗиА.
3. Разработать математическую модель вероятностного прогноза повреждае- мости изоляции КЛ для оптимизации эксплуатационных работ и оценки их
надёжности, учитывающую человеческий фактор в звене «электромонтёр – кабельная сеть» и ретроспективный поток данных о динамике пробоев изоляции КЛ городской электрической сети:
провести анализ взаимосвязи состояния изоляции КЛ и электротравматизма в городских электрических сетях с разработкой логико-вероятностных моделей для оценки безопасности их эксплуатации. Исследовать безопасность КЛ по определению зависимостей напряжений прикосновения и шага при пробое изо- ляции от глубины прокладки КЛ в грунтах с разным удельным сопротивлением, с учётом влияния заземлителей.
4. Оценить интегральное влияние режимов сети с принятыми уставками РЗиА по условиям: селективности их работы на термическое воздействие токов КЗ, сниже- ние электрических и механических свойств изоляции и требуемое сечение кабеля:
разработать мероприятия для повышения долговечности (поддержания заложенных свойств изоляции), надёжности и безопасности эксплуатации КЛ за счёт снижения влияния факторов, связанных с токами КЗ и электромагнитным полем кабеля, путём совершенствования методики выбора уставок РЗиА в город- ских электрических сетях и корректировки эксплуатационных решений.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, и основные положения, выносимые на защиту:
1. Предложен комплексный диагностический метод анализа состояния и изуче- ния процессов, влияющих на пробои изоляции КЛ, на стадии эксплуатации как звена городской электрической сети на основе нового подхода к многокритериаль- ному исследованию ретроспективной режимной информации как к полноценному ресурсному эксперименту с формированием динамической реляционной базы с картами жизни кабеля. Модули разработанного метода по оценке надёжности экс- плуатации включают в себя отличительный экспериментальный и теоретический анализ состояния изоляции в следующих выявленных слабых звеньях: «трасса КЛ – грунтово-метеорологические параметры»; «КЛ – граф схемы сети – уставки и се- лективность РЗиА»; «КЛ – человеческий фактор»; «КЛ – электромагнитное поле кабеля»; «КЛ – безопасность эксплуатации – напряжение прикосновения и шага».
Предложенный метод позволил впервые выявить следующие закономерности:
по результатам моделирования напряжённо-деформированных состояний в звене «трасса КЛ – грунтово-метеорологические параметры» в течение годового цикла эксплуатации показана необходимость учёта при проведении теплового расчёта неидеального теплового контакта в виде воздушной прослойки между кабелем и грунтом, образующейся при их подвижках, особенно в режимах КЗ;
долговечность работы и ресурс изоляции КЛ в условиях эксплуатации опре- деляются не только режимными параметрами, но и значимо зависят от состояния изоляции всех кабельных линий в структуре фидера и связаны с интегральным влиянием режимов распределительной сети с выбранными уставками РЗиА по условиям селективности их работы, что определяет количественное воздействие факторов, обусловленных токами КЗ;
определена взаимосвязь испытаний повышенным выпрямленным напряже- нием и факторов, связанных с токами короткого замыкания на БПИ кабелей
с несимметричным снижением её диэлектрических и механических свойств по фазам и необратимым приростом интенсивности ЧР, подтверждающая ресурсо- сберегающий эффект предложенного метода выбора уставок РЗиА.
2. Принципиально новый подход в методах экспериментальных и теоретиче- ских исследований физико-химических процессов в изоляции по оценке совмест- ного влияния электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля кабеля. Учёт магнитного поля (МП) оказался необходим при анализе коррозион- ных процессов, изменения интенсивности ЧР и условий формирования пробоя БПИ. Использование данного подхода и обоснованные математические модели позволили установить следующие закономерности:
влияния МП кабеля на кинетику процесса коррозии защитных алюминие- вых оболочек;
изменения параметров ЧР от индукции МП кабеля, фазового сдвига между электрическим и магнитным полями. Влияние переменного МП на частоту ЧР в неоднородной изоляции кабеля объясняется увеличением числа возможных путей для пробоя вследствие смещения линий тока лоренцевской силой;
изменения диссипативных характеристик образцов БПИ от температуры и частоты циклического механического воздействия электродинамических усилий, показывающие необходимость их учёта в режимах КЗ для оптимизации выбора уставок РЗиА по фактору повышения эксплуатационной надёжности кабелей и муфт в условиях работы в распределительной сети.
3. Математическая модель диагностического вероятностного прогноза повре- ждаемости изоляции КЛ, связывающая ретроспективные режимные данные с от- личительными параметрами по оценке человеческого фактора при монтаже муфт и безопасности их эксплуатации. Модель включает блок оптимизации прогноза по верификации в ранее не рассматриваемом комплексе: «КЛ – грунтово- метеорологические параметры – граф схемы сети – уставки и селективность РЗиА – алгоритм поиска повреждений с анализом напряжений прикосновения и шага от глубины прокладки КЛ, характера грунта и наличия заземлителей».
4. По результатам теоретического анализа статистических и эксперименталь- ных данных обосновано, что старение и развитие распределительной сети во вза- имосвязи с методом выбора уставок РЗиА и селективностью их работы влияют на требуемое сечение кабеля и степень негативного воздействия токов КЗ на БПИ.
Установлены закономерности снижения диэлектрических и механических свойств БПИ кабелей от количества повторных КЗ и их интенсивности.
5. Математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации в ком- плексе «КЛ – граф схемы сети – уставки и селективность РЗиА» по непротиворе- чивым критериям минимума времени отключения, снижения термического воз- действия токов КЗ на изоляцию и требуемого сечения кабелей по условиям тер- мической стойкости и невозгорания. Модель строится с использованием совмест- ного решения уравнений теплопроводности и отличительных функциональных взаимосвязей и ограничений, определяемых интегральным влиянием режимов се- ти с методикой выбора уставок РЗиА и их селективностью. Впервые с позиций
поддержания заложенных свойств изоляции, повышения надёжности и
безопасности эксплуатации КЛ разработана методика настройки устройств РЗиА в распределительных сетях, отличающаяся использованием токовых отсечек как основных защит и введённым зонным автоматическим повторным включением.
Методы исследований. В работе применялись методы теоретического и экс- периментального исследования. Теоретические методы базируются на основных положениях теории вероятностей, электромагнитного поля, расчёта режимов электрических сетей и уставок РЗиА, нечётких множеств, методах конечных эле- ментов и математического моделирования на ЭВМ. Методы экспериментального исследования включали наблюдения, измерения на образцах изоляции и КЛ.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
эксплуатационными данными по статистике отказов изоляции КЛ в городских электрических сетях, аргументированностью принятых допущений и исходных посылок, натурными экспериментальными исследованиями на разработанных установках и оборудовании лаборатории материаловедения; соответствием ре- зультатов математического моделирования с применением теоретических основ электротехники, законов физики, апробированных численных методов и компью- терного моделирования полученным экспериментальным данным, анализируемым с использованием аппарата математической статистики и теории вероятностей.
Практическое значение работы заключается в следующем:
1. На основе разработанного метода сбора информации для вероятностного прогнозирования повреждаемости изоляции кабелей разработаны и приняты к реа- лизации регламенты в городских сетях г. Челябинска, г. Нефтекамска и на комму- нальных предприятиях Башкирии, отличающиеся формированием карт жизни КЛ (динамической реляционной базы данных) с ранжированием принимаемых про- ектных и эксплуатационных решений, значимо влияющих на поток отказов.
2. На основе разработанного метода анализа состояния и прогнозирования ра- боты КЛ как объекта распределительной сети предложен комплекс организаци- онных и технических мероприятий для повышения надёжности их эксплуатации, включающий: оптимизацию глубины и трассы прокладки КЛ; оценку теплового режима, учитывающую неидеальность теплового контакта в звене «КЛ – грунт»;
определение интервалов времени проявления максимального влияния на поток пробоев и свойства изоляции грунтово-метеорологических параметров; роль че- ловеческого фактора при монтаже муфт; оптимизацию уставок РЗиА; вероят- ностный прогноз повреждаемости КЛ.
3. Установленные зависимости изменения интенсивности ЧР от количества испытаний повышенным напряжением выпрямленного тока и от количества пе- ренесённых коротких замыканий позволяют вносить коррективы в регламенты предприятий при проведении диагностики состояния изоляции и оптимизации уставок РЗиА.
4. На основе расчёта распределения ЭМП в изоляции кабеля с учётом рабочих и аварийных режимов работы, гармоник в сети, характера нагрузки, способов укладки жил, наличия включений в изоляции рекомендован способ прокладки одножильных кабелей треугольником встык как оптимальный с точки зрения продления сроков службы кабелей и уменьшения воздействия на человека.
Установлен ряд экспериментальных данных по уровням ЭМП в диапазоне частот (1 Гц – 30 МГц) вблизи КЛ и в трансформаторных подстанциях 6(10)/0,4 кВ.
5. Разработанная методика сравнительной оценки влияния механического воздействия электродинамических усилий в трёхжильных КЛ 6(10) кВ в рабочих и аварийных режимах работы может быть использована для оценочного расчёта действия токов КЗ с учётом принятых уставок РЗиА.
6. Разработанные методы оценки влияния магнитной составляющей электро- магнитного поля КЛ на коррозионные процессы защитных металлических оболо- чек кабелей, характер пробоя БПИ и изменения параметров ЧР позволяют повы- сить точность оценки старения изоляции при проведении ресурсных исследований.
7. Методика оценки взаимосвязи селективности РЗиА и термического воздей- ствия на изоляцию при требуемом сечении успешно применяется в развиваю- щихся коммунальных сетях г. Нефтекамска и городских сетях г. Челябинска. С её помощью разработан способ снижения термического, электродинамического и магнитного воздействий на изоляцию кабеля, требуемого сечения в режимах ко- ротких замыканий. Способ направлен на повышение ресурсосбережения изоля- ции и безопасности эксплуатации КЛ путём оптимизации уставок РЗиА и алго- ритма поиска места повреждения в кабельной сети. Способ обеспечивает мини- мизацию времени нахождения обслуживающего персонала вблизи токоведущих частей и снижение времени отключения повреждённой КЛ при КЗ.
Реализация и внедрение результатов исследований:
Разработанные методы анализа ретроспективной статистической информации и прогнозирования повреждаемости изоляции КЛ, рекомендации по продлению их срока службы внедрены в условия эксплуатации городских электрических се- тей г. Челябинска и г. Нефтекамска, что подтверждается актами от 2012 г., прото- колами совещаний от 2009 и 2013 гг. и принятыми регламентами от 2014 г.
Метод и способ настройки устройств РЗиА в городских электрических сетях для снижения влияния токов короткого замыкания (термического и электродина- мического воздействий) на изоляцию и её ресурсосбережение внедрены в город- ских сетях г. Нефтекамска на предприятии МУП «НМПЭС».
Разработанные методики оценки влияния магнитной составляющей электро- магнитного поля кабеля на диэлектрические свойства изоляции и повышения безопасности их эксплуатации используются в учебном и научно- исследовательском процессах на кафедрах «Безопасность жизнедеятельности» и
«Электрические станции, сети и системы» ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ).
Работа выполнялась в рамках реализации федеральных целевых программ:
1. Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских учёных – кандидатов наук 2009 –2010 гг. (договор:
МК-1402.2009.08).
2. Грантов Министерства образования и науки Челябинской области для моло- дых учёных высших учебных заведений в 2007 г. и 2008 г. Конкурс грантов ЮУрГУ в 2009 г.
3. Конкурса грантов молодых преподавателей ВУЗов РФ, проводимого в рам- ках стипендиальной программы В. Потанина (4 проекта), 2009, 2010, 2011, 2012 гг.
4. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
на 2009–2013 гг., мероприятие 1.4. лот № 7 – очередь 56: «Поддержка развития внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путём выполнения научных исследований молодыми учёными и преподавателями в научно-образовательных центрах по научному направлению «Энергетика, энер- госбережение, ядерная энергетика» в научно-образовательном центре «Повыше- ние эффективности систем электроснабжения» «НИУ «МЭИ», г. Москва, 2012 г.
(соглашение № 14.B37.21.2072).
5. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям разви- тия научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы» по теме:
«Разработка алгоритмов мультиагентного управления стационарными режимами интеллектуальной распределительной электрической сети с энергоустановками малой генерации» (соисполнитель; ГК № 14.516.11.0105; 2013 г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докла- дывались, обсуждались и получили одобрение на конференциях:
1. V Международной научно-технической конференции: «Электрическая изо- ляция – 2010». Санкт-Петербург. Политехнический университет. 2010. 2. V Меж- дународной школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Энергосбереже- ние – теория и практика». Москва. МЭИ. 2010. 3. XL Всероссийской научно- практической конференции с элементами научной школы для молодёжи (с меж- дународным участием) «Фёдоровские чтения – 2010». Москва. МЭИ. 2010.
4. Российских научно-технических конференциях «Электромагнитная совмести- мость технических средств и электромагнитная безопасность». Санкт-Петербург.
ВИТУ. 2006, 2008. 5. IX Международном симпозиуме по электромагнитной сов- местимости и электромагнитной экологии. Санкт-Петербург. СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
2011. 6. Международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Москва. РГГУ. 2008, 2009, 2010. 7. Международных научно- практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Совре- менные техника и технологии». Томск. ТПУ. 2007, 2008, 2009, 2010.
8. Международных молодёжных научно-технических конференциях «Электро- энергетика глазами молодёжи». Екатеринбург. УрФУ. 2010, 2012; Новочеркасск ЮРГПУ (НПИ). 2013; Иваново. ИГЭУ. 2015. 9. Международных научно- практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности в третьем тыся- челетии». Челябинск. ЮУрГУ. 2006, 2009, 2012. 10. Международной научной конференции «Охрана труда и социальная защита работников». Киев. КПИ. 2008.
11. 39 Всероссийской научно-практической конференции с международным уча- стием «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений». Москва. МЭИ. 2009. 12. Научно- практических конференциях с международным участием «Дальневосточная вес- на». Комсомольск-на-Амуре. КнАГТУ. 2008, 2011. 13. Международной научно- практической конференции «Экология. Риск. Безопасность». Курган. КГУ. 2010.
14. XLIX Международной научно-технической конференции. Челябинск. Челя- бинская государственная агроинженерная академия. 2010. 15. VIII Международ- ной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности пред- приятий в промышленно развитых регионах». Кемерово. КузГТУ. 2009.
16. III Международной научно-практической конференции «Актуальные пробле- мы безопасности жизнедеятельности: интеграция науки и практики». Ставрополь.
СГУ. 2009. 17. Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффек- тивность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно- коммунального хозяйства». Салават. Филиал УГНТУ. 2010. 18. Ежегодных открытых всероссийских научно-технических конференциях «Наука- производство-технология-экология», «Общество, наука, инновации». Киров.
ВятГУ. 2008, 2009, 2010, 2011. 19. Всероссийских научно-практических конфе- ренциях «Энергетика в современном мире». Чита. ЧитГУ. 2006, 2009.
20. Всероссийских научно-технических конференциях «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий». Уфа. УГНТУ. 2007, 2009.
21. Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность и экология технологических процессов и производств». Ростовская область, п. Персиановский. ДонГАУ. 2008. 22. II Всероссийской научно-технической кон- ференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнер- гетики и электротехнологии». Тольятти. ТГУ. 2007. 23. Всероссийской научно- практической конференции, посвящённой 50-летию подготовки специалистов по электрическим системам и сетям в НЭТИ-НГТУ «Технологии управления режи- мами энергосистем XXI века». Новосибирск. 2006. 24. Ежегодных научно- технических конференциях в ЮУрГУ с 2003 по 2014 г. 25. Совещаниях в город- ских электрических сетях г. Челябинска и г. Нефтекамска.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 102 печатных работах, в том числе 26 – в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 – монография, 2 – патента РФ на изобретение, 5 – свидетельств о государствен- ной регистрации программы для ЭВМ, 5 – отчётов по НИР, в которых автор при- нимал участие как руководитель или ответственный исполнитель.
Личный вклад автора состоит в обосновании идей и цели исследования, разработке методов их решения, обобщении результатов. Все научные положения разработаны лично автором. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежат идея исследования и ведущая роль в постановке задач, разработке методик экспериментальных исследований и установок, теоретических положе- ний и математических моделей с методами их решения. Соавторы также оказы- вали помощь и поддержку в организации проведения экспериментальных и лабо- раторных исследований. В работах, выполненных совместно с аспирантом Е.Ю. Юрченко и дипломниками О.М. Малышевой, А.Ю. Степановым, автор осуществлял постановку задач и научное консультирование.
Соответствие научной специальности: исследования, представленные в дис- сертационной работе, полностью соответствуют формуле и области исследования паспорта специальности 05.09.02, в частности: первое научное положение соответ- ствует п. 1–3; второе, третье и четвёртое научные положения – п. 1 и 3; пятое науч- ное положение – п. 2 и 4.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 365 страницах основного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 575 наименований, содержит 170 рисунков, 89 таблиц, включает 1 приложение.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отражены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, перечислены научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации представлен анализ состояния проблемы в Рос- сии и за рубежом. На основе литературных данных рассмотрены факторы, влия- ющие на свойства изоляции, и математические модели, описывающие выработку ресурса КЛ. Показано, что необходимо уточнение характера и параметров старе- ния изоляции с учётом новых факторов, связанных как с развитием, так и со ста- рением городской кабельной сети и принимаемых в этих условиях проектных и эксплуатационных решений в комплексе с ретроспективными данными, грунто- во-метеорологическими и электромагнитными параметрами, человеческим фак- тором и устройствами РЗиА. Представлена оценка условий безопасности эксплу- атации КЛ 6(10) кВ и травматизма при их обслуживании. Показано, что до 14,9 % несчастных случаев связано со снижением уровня изоляции КЛ и пробоем, а при оперативных переключениях, обусловленных авариями в КЛ, происходит до 46 % случаев. Сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрен ретроспективный подход к изучению значимо- сти влияния проектных и эксплуатационных факторов на повреждаемость КЛ 6(10) кВ как элемента городской электрической сети с выявлением и исследова- нием их слабых звеньев. Разработанные методы сбора и анализа отказов КЛ на основе изучения ретроспективных данных как полноценного ресурсного экспе- римента входят в блок № 1 и блок № 2 (модуль 2.1) комплексного диагностиче- ского метода (4 глава), рассматриваемого в данной работе, включающего четыре основных блока (рисунок 1). Достоверность метода обусловлена обширным ста- тистическим материалом. В г. Челябинске рассмотрены данные по 2054 КЛ, про- тяжённостью порядка 1024 км, период ретроспективного анализа до 80 лет, число пробоев КЛ 3484 шт., метеорологические параметры за 14 лет. В г. Нефтекамске рассмотрены: 414 КЛ, 184 км, период анализа до 50 лет, число пробоев за 10 лет – 165 шт. Отдельные данные рассмотрены по городам Златоусту и Кургану.
По результатам анализа влияния (модуль 2.1, рисунок 1) проектных решений (1 группа факторов) на срок службы КЛ установлено слабое звено «трасса КЛ – грунтово-метеорологические параметры» и показано, что вариации глубины, тра- ектории прокладки и поворотов трассы КЛ значимо влияют на состояние изоля- ции. Установлена повышенная повреждаемость КЛ с алюминиевой оболочкой от коррозионного воздействия. Для оценки напряжённо-деформированных состоя- ний в данном звене проведены экспериментальные исследования (модуль 3.1, ри- сунок 1) на разработанных установках, состоящих из двух моделей траншеи для КЛ размерами (Д×Ш×В) – 105×60×80 см и 50×30×50 см, сдвигающего рычажного механизма и КЛ типа ААШвУ-120 мм2-10 кВ, а также на действующих КЛ, пока- завших колебания глубины прокладки в течение годового цикла до ±(10–20) см.
Были проведены следующие опыты (ряд результатов представлен на рисунке 2), позволившие установить зависимости изменения усилия тяжения, необходимого для свободного смещения КЛ в зависимости от температуры и влажности грунта:
