DOI: https://doi.org/10.15588/1607-6761-2018-3-5

### FUZZY MODELING OF FAILURE PROBABILITY OF APARATES FOR PROTECTION FROM OVERVOLTAGE

S.V. Domoroshchyn, O.A. Sakhno

#### Abstract

Purpose. The aim of the article is to develop a mathematical model for a comprehensive assessment of the probability of failure of an overvoltage protection device using a fuzzy set device, which is based on expert knowledge and diagnostic data obtained during the operational period.

Methodology.  The study was carried out using the expert survey method, weight coefficients method, Saati pair comparison matrix method, fuzzy logic methods, fuzzy sets theory, high voltage technology theory, thermal radiation theory.

Findings. The authors developed a fuzzy model for determining the probability of failure of a gate arrester and a voltage limiter, taking into account the influence of a combination of such factors as the state of insulation, the state of current-carrying nonlinear elements, the temperature state of the object under study, and the number of operations of the apparatus. On the basis of the model, an automated software system was developed, using which the state of the voltage limiter type 3ER2 276-2PF32-1NA1 of the «SIEMENS» company was diagnosed. It is operated at Dneprovskaya HPP-1, 330 kV for cell ОПН AT-331, and arresters of type РВМК -750M for cell PB 750 2 AT.

Originality. The theory of technical diagnostics of high voltage overvoltage protection devices without disconnecting devices from the network (online) on the basis of a fuzzy model for determining the probability of failure of the device has been further developed. The known model differs from the known ones in that it takes into account the state of insulation, the state of the conductive parts, the number of operations of the apparatus, the thermal state of the apparatus and the contact connections, and allows calculating the probability of failure of the apparatus during its operation.

Practical value.  The developed mathematical model can be used in automated software and hardware-software systems for: diagnosis, maintenance and repair planning, and distribution of financial assets of electric power enterprises. The results of diagnosing different protection apparatus confirmed the adequacy of the developed model. The developed model can be used for all types of protection devices for high voltage switchgears. The model makes it possible to comprehensively evaluate the technical state of the investigated object by integrating the input parameters (current, resistance, temperature, etc.) that are inherently different in nature and which affect the technical state and the probability of its failure. The constructed model allows the machine to be put out of repair after the current state of the object, and not according to the schedule of repairs, which will save the material and human resource, and taking into account the state course for estimating the equipment resource according to the actual state and creating switchgears without a permanent maintenance staff is very relevant.

#### Keywords

overvoltage protection device; arrester; voltage limiter; fuzzy model; probability of failure; interviewing experts

PDF (Українська)

#### References

[1] (2002). Zasoby zakhystu vid perenapruh u elektroustanovkakh 6-750 kV. Instruktsiia z montazhu ta ekspluatatsii. HKD 34.35.512-2002. Obiednannia enerhetychnykh pidpryemstv “Haluzevyi rezervno-investetsiinyi fond rozvytku enerhetyky”, 138.

[2] (2009). Normy vyprobuvannia elektroobladnannia. SOU-N EE 20.302:2007. Ministerstvo palyva ta enerhetyky, 278.

[3] (2002). Tekhnichna ekspluatatsiia elektrychnykh stantsii I merezh. Pravyla. HKD 34.20.507-2003. “LvovORHRES, HDP “DonORHRES”, 341.

[4] Lebedka, S.N. (2012). Matematicheskoe modelirovanie rezhimov raboty elektrosetey s OPN. Skhidno-Evropeyskii zhurnal peredovyh technologii, 3/8, 25-29. (in Russian.)

[5] Grib, O.G. (2014). Rabota sredstv zaschity ot perenapryazheniya v energosistemah pri nalichii vysshih garmonik. Visnyk NTU “HPI, 41(1084), 78-86. (in Russian.)

[6] Shevchenko, S. Yu. (2013). Osobennosti zaschity oborudovaniya podstantsiy ot perenapryazheniy. Naukovi pratsi DonNTU. Elektrotekhnika і enerhetyka, 1(14), 308-312. (in Russian.)

[7] Heinrich, C., Hinrichsen, V. (2001). Diagnostics and monitoring of metal-oxide surge arresters in high-voltage networks-comparison of existing and newly developed procedures. IEEE Transactions on Power Delivery, 16, 1, 138-143. DOI: 10.1109/61.905619.

[8] Yu-ting XU, Xiao-hua YUAN, Ya-li MO, Guo-tai Dong and De-cheng (2016). Research on On-line Monitoring of Insulation of Metal Oxide Surge Arrester. 2016 International Conference on Material Science and Civil Engineering (MSCE 2016), 328- 336.

[9] Ibrahim, A. Metwally, Mohamed Eladawy, E. A. Feilat. (2017). Online condition monitoring of surge arresters based on third-harmonic analysis of leakage current. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 24, 4, 2274-2281. DOI: 10.1109/TDEI.2017.006334.

[10] Chunihin, A.A. (1988). Elektricheskie apparaty: Obschiy kurs.Moscow: Energoamizdat, 720.

[11] Aleksandrov G.N., Borisov V.V., Ivanov V.L. (1989). Elektricheskie apparaty vysokogo napryazheniya. Uchebnoe posobie dlya vuzov.Leningrad: Energoatomizdat, 344.

[12] Kosteriev, M. V. (2010). Pytannia pobudovy nechitkykh modelei otsinky tekhnicnoho stanu obiektiv elektrychnykh system. Kyiv: NTUU “KPI”, 131.

[13] Shtovba,S.D. (2007). Proektirovanie nechetkih sistem sredstvami MATLAB.Moscow: Goryachaya liniya – telekom, 288.

[14] Litvinov V.V. (2010). Vykorystannia metodiv poparnoho porivniannia dlia vyznachennia priorytetnosti sposobiv zabezpechennia statychnoi stiikosti asynkhronnykh dvyhuniv v umovakh bahatokryterialnogo vuboru. Naukovi visti NTUU “KPI, 2, 24-29.

[15] Remennikov, V.B. (2005). Upravlencheskie resheniya.Minsk: Yuniti, 144.

[16] Saati T. (1993). Prinyatiye resheniy. Metod analiza iyerarkhiy.Moscow: Radio i svyaz', 278.

[17] .Hobrei, R., Chernov V., Udod Ye. (2007). Diagnostuvannia elektroustanovok 0,4 – 750 kV zasobamy infrachervonoi tekhniky. Kyiv: “KVITs”, 374.

[18] (2007). Tekhnicheskoe diagnostirovaniye elektrooborudoviniya i kontaktnykh soedineniy elektroustanovok I vozdushnykh liniy elektroperedachi sredstvami infrakrasnoy tekhniki. SOU-N EE 20.577:2007. Ministerstvo palyva ta enerhetyky, 123

#### GOST Style Citations

[1] Засоби захисту від перенапруг у електроустановках 6-750 кВ. [Текст]: Інструкція з монтажу та експлуатації. М-вом палива та енергетики України 20.02.2002. – К.: ОЕП «ГРІФРЕ», 2002. – 138с.

[2] Норми випробування електрообладнання [Текст]: СОУ-Н ЕЕ 20.302: 2007: затв. М-вом палива та енергетики України 15.01.2007. –К.: ОЕП «ГРІФРЕ», 2007. – 278с.

[3] Технічна експлуатація електричних станцій і мереж. Правила [Текст]: ГКД 34.20.507-2003: затв. М-вом палива та енергетики України 13.06.2003. –К.: ОЕП «ГРІФРЕ», 2003. – 597с. – ISBN 966-96099-1-7.

[4] Лебедка, С.Н. Математическое моделирование режимов работы электросетей с ОПН [Текст]/ Ю.Н. Веприк, С.Н. Лебедка // Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2012. – №3/8. – С.25-29.

[5] Гриб, О.Г. Работа средств защиты от перенапряжения в энергосистемах при наличиии высших гармоник [Текст] / О.Г Гриб, С.Ю. Шевченко, Д.А. Гапон [и др.] / Вісник НТУ «ХПІ». – 2014. – № 41(1084). – С. 78-86.

[6] Шевченко, С.Ю. Особенности защиты оборудования подстанций от перенапряжений [Текст]/ С.Ю. Шевченко, О.Н. Довгалюк, А.Е. Пиротти / Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Електротехніка і енергетика». – 2013. – №1(14). – С. 308-312.

[7] Heinrich, C. Diagnostics and monitoring of metal-oxide surge arresters in high-voltage networks-comparison of existing and newly developed procedures [Text] / C. Heinrich, V. Hinrichsen. // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2001. – Volume 16. – Issue 1. – P. 138-143. DOI: 10.1109/61.905619.

[8] Yu-ting, Xu. Research on On-line Monitoring of Insulation of Metal Oxide Surge Arrester [Text] / Xu Yu-ting, Xiao-hua Yuan, Ya-li MO, Guo-tai Dong and De-cheng ZHU // International Conference on Material Science and Civil Engineering. – 2016. – 328-336.

[9] Metwally, I. A. Online condition monitoring of surge arresters based on third-harmonic analysis of leakage current [Text] / I. A. Metwally, M. Eladawy, E. A. Feilat // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2017. – Volume 24. – Issue 4. –P. 2274-2281. DOI:10.1109/TDEI.2017.006334/.

[10] Чунихин, А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов. -3-е изд. переаб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 720 с.

[11] Электрические аппараты высокого напряжения: Учебное пособие для вузов [Текст] / Г.Н. Александров, В.В. Борисов, В.Л. Иванов и др.; Под ред. Г.Н. Александрова. –Л.: Энегоатомиздат, 1989. – 344 с.

[12] Костерєв, М.В. Питання побудови нечітких моделей оцінки технічного стану об’єктів електричних систем [Текст] / М.В. Костерєв, Є.І. Бардік. – К.: НТУУ «КПІ», 2010. – 131 с.

[13] Штовба, С.Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB [Текст] / С.Д. Штовба. – М.: Горячая линия – телеком, 2007. – 288 с.

[14] Літвінов, В.В. Використання методів попарного порівняння для визначення пріоритетності способів забезпечення статичної стійкості асинхронних двигунів в умовах багатокритеріального вибору [Текст] / В.В. Літвінов, М.В. Костерєв, П.Л. Денисюк/ Наукові вісті НТУУ «КПІ». – 2010. – №2. – С. 24-29.

[15] Ременников, В.Б. Управленческие решения [Текст] / В.Б. Ременников. Минск: Юнити, 2005. – 144 с.

[16] Saati, T. Prinyatiye resheniy. Metod analiza iyerarkhiy. [Text]/ Т. Saati – М.: Radio i svyaz', 1993. – 278 p.

[17]  Гобрей, В. Чернов, Є. Удод Діагностування електроустановок 0,4-750 кВ засобами інфрачервоної техніки. [Текст] / Навч. методичний посібник / Р. Гобрей, В. Чернов, Є. Удод. – К.: «КВІЦ», – 2007. – 374с. ISBN 978-966-96441-8-3.

[18] Техническое диагностирование электрооборудования и контактных соединений электроустановок и воздушных линий электропередачи средствами инфракрасной техники [Текст]: СОУ-Н ЕЕ 20.577:2007: затв. М-вом палива та енергетики України 15.02.2007. – К.: ГП НЭК «Укрэнерго», 2007. – 123 с. ISBN 978-966-96441-7-6.

#### Article Metrics

Copyright (c) 2018 S.V. Domoroshchyn, O.A. Sakhno

Address of the journal editorial office:

Editorial office of the the science journal "Electrical Engineering and Power Engineering" ("Electrotechnics and Electroenergetics")

Zaporozhye National Technical University,

Zhukovskiy street, 64, Zaporizhzhya, 69063, Ukraine.

Telephone: +38-061-769-82-96 – the Editing and Publishing Department.

E-mail: rvv@zntu.edu.ua

Reference to the journal is obligatory in the cases of complete or partial use of its materials.