Метод исследования термофлуктуационных процессов в задачах диагностики и прогнозирования изоляционных материалов

Введение . Статья посвящена исследованиям термофлуктуационных процессов в изоляционных материалах в соответствии с теорией теплопроводности для решения задач диагностики и прогнозирования остаточного ресурса изоляционных материалов на основе цифрового регистратора, а также неразрушающего температурного метода. Целью работы является совершенствование методов неразрушающей диагностики, а именно - разработка автоматизированной системы контроля состояния изоляции и расчетно-экспериментальное исследование. Материалы и методы . Предложены математические модели, описывающие послойное распределение температуры кабельной линии в соответствии с теорией теплопроводности, использующие дифференциальное уравнение Фурье. Создан обобщенный алгоритм работы регистратора контроля параметров силовых кабельных линий (СКЛ), реализующий метод неразрушающего контроля термофлуктуационных процессов в изоляционных материалах СКЛ. Проведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных характеристик распределений температуры. При этом исследовались различные нагрузочные режимы работы и функции изменения тока кабеля. Результаты исследования . Разработаны математические модели и программное обеспечение для численного моделирования температурного поля в сечении кабеля в соответствии с теорией теплопроводности, учитывающие физические свойства материалов и геометрические размеры элементов кабеля. Проведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных характеристик распределений температуры. Научно подтверждена адекватность разработанной упрощенной математической модели определения температуры наиболее нагретой точки изоляции жилы кабеля на основе измеренных значений температуры поверхности силового кабеля и температуры воздуха при различных изменениях действующего значения тока кабеля. Разработан и обоснован метод исследования термофлуктуационных процессов на основе использования послойно расположенных в СКЛ температурных датчиков, позволяющий объединить в одном измерительном средстве два метода контроля: прогнозирование развивающегося дефекта изоляции и неразрушающий контроль термофлуктуационных процессов силового кабеля. Предложенная математическая модель может быть использована в качестве базовой при расчете тепловых процессов силовых кабелей в режиме реального времени, поскольку ее адекватность подтверждена экспериментальными исследованиями. Обсуждение и заключения . Полученные результаты могут быть использованы при разработке теории, методов диагностики и прогнозирования состояния изоляционных материалов в сложных распределенных системах при различных режимах работы.

термофлуктуационные процессы, диагностика, прогнозирование, изоляционные материалы, thermal fluctuation processes, diagnostics, forecasting, insulating materials

1. Макаров, Е. Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ и 110-1150 кВ / Е. Ф. Макаров. - Москва : Папирус ПРО, 2004. - Т. 3. - 674 с.

2. ГОСТ Р МЭК 60287-1-1. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки. Часть 1-1. Уравнения для расчета номинальной токовой нагрузки и расчет потерь. Общие положения / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - Москва : Стандартинформ, 2009. - 28 с.

3. Ларина, Э. Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии : учеб. для вузов / Э. Т. Ларина. - Москва : Энергоатомиздат, 1996. - 464 с.

4. Мониторинг силовых кабельных линий с адаптацией к условиям окружающей среды в режиме реального времени / В. В. Беляков [и др.] // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2008. - № 5. - С. 38-40.

5. Дубяго, М. Н. Мониторинг температуры силовых кабельных линий на ARDUINO / М. Н. Дубяго, В. С. Доценко, В. И. Данильченко // Сборник научных статей. Выпуск IX. - Ростов-на-Дону : Изд-во ЮФУ, 2015. - С. 134-139.

6. Dubyago, M. N. Prediction deterioration of insulation process on the basis of partial discharge thermal fluctuation theory / M. N. Dubyago, N. K. Poluyanovich, D. V. Burkov // ICAEMM 2016 : International Conference on Applied Engineering, Materials and Mechanics. - Weihai, 2016. - P. 205-211.

7. Математическое моделирование тепловых процессов в силовых кабелях с пластмассовой изоляцией / Д. И. Зализный [и др.] // Вестник Гомельского гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2009. - № 3. - С. 65-75.

8. Навалихина, Е. Ю. Математическое моделирование процессов сложного тепломассопереноса в кабельном канале : дис. … канд. техн. наук / Е. Ю. Навалихина. - Пермь, 2015. - 109 с.

9. Sedaghat, A. Thermal Analysis of Power Cables in Free Air: Evaluation and Improvement of the IEC Standard Ampacity Calculations / A. Sedaghat, F. De León // IEEE Transactions on power delivery. - 2014. - Vol. 29, № 5. - P. 2306-2314.

10. Моделирование тепловых процессов в кабеле с изоляцией из сшитого полиэтилена средствами Matlab и Simulink / Е. С. Зайцев [и др.] // Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB : Мат-лы V междунар. науч. конф. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2011. - С. 615-622.

11. Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы : учеб. для вузов / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. - Ленинград : Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.

12. Dubyago, M. N. Prediction of residual life of isolating materials in the process of thermal power equipment deterioration / M. N. Dubyago, N. K. Poluyanovich // AEECE 2015 : International Conference on Advances in Energy, Environment and Chemical Engineering. - Changsha : Atlantis Press, 2015. - P. 49-54.

13. Дубяго, М. Н. Оценка и прогнозирование изоляционных материалов силовых кабельных линий / М. Н. Дубяго, Н. К. Полуянович, В. Х. Пшихопов // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2015. - № 7 (168). - С. 230-237.

14. Pivnev, V. V. Some the application of the Taylor series for the analysis of processes in non-linear resistive circuits / V. V. Pivnev, S. N. Basan // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Vol. 701/702. - P. 1173-1176.