Контроль технического состояния активной части силового трансформатора на основе расчетно-экспериментальных методов оценки вибрационных характеристик

Высокие требования к надежности и экономичности основного оборудования электроэнергетических систем, выполняющего функции преобразования уровня напряжения в электрических сетях (силовые трансформаторы) обуславливают необходимость поиска новых способов оценки их технического состояния. При этом выдвигается требование существенного снижения времени проведения контроля технического состояния при достаточно высокой чувствительности к наиболее вероятным видам повреждений, связанных в рассматриваемом случае с нарушением степени опрессовки активной части трансформатора.

Существующие на сегодняшний день способы диагностики силового оборудования предполагают его частичную или полную разборку, что зачастую приводит к отказам трансформаторам сразу после ввода их в работу. Также необходимо отметить о случаях невозможного вывода оборудования из рабочего режима эксплуатации.

Среди различных методов оценки технического состояния силового электрооборудования одним из наиболее эффективных является метод вибрационной диагностики. Он основывается на: измерении параметров и характеристик вибрации, генерируемых силовым трансформаторомсравнении по определенным критериям экспериментальных оценок параметров и характеристик вибрации с заданнымипринятии решения о техническом состоянии.

Установление зависимостей между параметрами дефектов и характеристиками вибрационных процессов для исследуемого силового оборудования и качественный анализ характеристик этих процессов являются важнейшими задачами при оценке его технического состояния.

Для оценки технического состояния активной части силовых трансформаторов возможно применение методов диагностики основанных на оценках собственных частот и амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода. Однако, потенциальные возможности этих методов не реализованы из-за отсутствия зависимостей между собственными частотами и амплитудами вынужденных форм колебаний и параметрами активной части силовых трансформаторов.

Качество вибродиагностики во многом определяется достоверностью оценок параметров вибрации на этапе измерения. Вибрационные процессы силовых трансформаторов носят сложный характер, представляют собой совокупность периодических и импульсных процессов, которые зависят от технического состояния магнитопровода, обмотки и режима нагрузки.

Известные методы и средства измерения параметров вибрации активной части силовых трансформаторов, основанные на спектральном анализе, имеют ограничения по разрешающей способности и точности определения частот гармонических составляющих.

Поэтому возникает актуальная задача оценки собственных частот и амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода, а также их зависимостей от параметров магнитопровода и разрешающей способности, и повышения точности определения частот гармонических составляющих.

Цель диссертационной работы.

Цель диссертационной работы заключается в повышении точности контроля вибрационных характеристик силовых трансформаторов для увеличения достоверности определения их технического состояния на основе применения расчетно-экспериментальных методов оценки собственных частот и значений амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода, а также увеличения точности определения частот гармонических составляющих.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• Разработка расчетно-экспериментального метода оценки собственных частот магнитопровода. Разработка расчетно-экспериментального метода оценки значений амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода. в Разработка метода анализа частотгармонических компонент с высоким разрешением и высокой точностью на фоне широкополосных случайных процессов (помех).

• Разработка методики контроля технического состояния магнитопровода с обмоткой силового трансформатора на основе анализа вибрационных характеристик. .

• Разработка системы контроля вибрационных характеристик силового трансформатора.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач систематизированы и обобщены знания в области вибрационных исследований силовых трансформаторов и аппаратурного спектрального анализа случайных и детерминированных процессов.

Теоретические исследования базируются на современных методах теории вероятности, теории случайных процессов, математической статистики, спектрального анализа детерминированных и случайных процессов.

Экспериментальные исследования получены при использовании современного вибрационного измерительного оборудования.

Научная новизна.

• Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки собственных частот магнитопровода на основе метода перемещений. Показано, что собственные частоты определяются степенью запрессовки, при этом неравномерное усилие запрессовки по длине магнитопровода приводит к модели участка магнитопровода в виде балки переменной жесткости.

• Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки значений амплитуд вынужденных форм колебаний. Показано, что эквивалентная жесткость активной части определяется по экспериментальным значениям амплитуд вынужденных форм колебаний, при этом учитывается влияние магнитного гистерезиса на форму кривой намагничивающего тока и дополнительные возмущающие силы на частотах кратных 50 Гц.

• Предложен метод анализа гармонических компонент с высоким разрешением и высокой точностью по частоте на фоне широкополосных помех, основанный на режекции отдельных гармоник. Показано, что разрешающая способность определяется глубиной подавления гармонической компоненты режекторным фильтром.

Практическая ценность работы.

Предложена методика, определения степени запрессовки магнитопровода силового трансформатора на основе оценки собственных частот магнитопровода, а также значений амплитуд вынужденных форм колебаний.

Структура и объем диссертации

1.

Работа изложена на 131 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность работы и показано, что целью работы является повышение точности контроля вибрационных характеристик силовых трансформаторов на основе применения расчетно-экспериментальных методов оценки собственных частот и оценки значений амплитуд вынужденных форм колебаний. активной части и увеличения точности определения частот гармонических составляющих, а также представлены задачи, решаемые в диссертации, и методы исследований. Приведены структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены методы и средства оценки технического состояния силовых трансформаторов электроэнергетических систем.

На сегодняшний день, ввиду значительных финансовых вложений на приобретение нового оборудование, проблема увеличения срока службы трансформаторов приобретает все более актуальный характер. В связи с этим возникает необходимость принятия правильных решений о замене трансформаторов или продлении их срока службы, что невозможно без достоверной информации об их техническом состоянии. Анализ внутренних повреждений трансформаторов показал, что надежность современного трансформатора в значительной мере определяется состоянием его изоляции. При протекании токов короткого замыкания возникают динамические усилия, которые приводят к деформации обмоток, что способствует повреждениям изоляции.

В группу экспресс-методов испытаний трансформаторов входят: контроль изоляционного масла, определение наличия растворенных в нем газов, а также индикации частичных разрядов. К группе испытаний, проводимых после экстремальных режимов трансформатора, относятся методы выявления механических деформаций обмоток.

Количественное значение остаточной прессовки обмоток является важным эксплуатационным параметром. Этот параметр определяет динамическую устойчивость обмотки, особенно в переходных и анормальных режимах работы.

Ослабление усилий прессовки приводит к повышенным вибрациям и как следствие к витковым замыканиям из-за истирания изоляции. Вибрация обмотки создает повышенную вибрацию бака трансформатора.

Для диагностики механических деформаций обмоток трансформаторов применяются следующие методы:

V метод измерения сопротивления короткого замыкания Zk;

V метод низковольтных импульсов (метод НВИ);

V по вибрации на поверхности бака;

V метод частотных характеристик.

Анализ существующих методов позволил сделать заключение, что наиболее оптимальный с точки зрения достоверности диагностики без вывода из эксплуатации, а также простоты процедуры измерения является метод вибрационных характеристик.

В условиях эксплуатации активная часть трансформаторов практически не контролируется, т.к. все существующие методы требуют вывода трансформатора в ремонт. Одним из основных методов диагностики состояния активной части, а в эксплуатации — единственно возможной, является вибродиагностика трансформаторов.

Существующие на сегодняшний день методы вибродиагностики позволяют контролировать процессы развития дефектов следующих составных частей силового трансформатора:

1. РПН (регулирование под нагрузкой).

2. Обмотка и сердечник.

3. Маслонасос (для маслонаполненного оборудования).

Рассмотрены процессывибродиагностирования каждого из представленных составных частей, а также приведены наиболее совершенные приборы для виброконтроля.

На сегодняшний день в процессе вибродиагностического контроля для осуществления возбуждения вибраций используются следующие методы:

— электрическое воздействие;

— импульсное механическое воздействие.

Необходимо отметить, что вибродиагностика трансформаторов производится достаточно быстро и за сравнительно короткое время можно составить компьютерную базу данных виброграмм трансформаторов, на основании которой быстро прогнозировать развитие вибрации до недопустимых пределов, приводящих к аварии.

При замере вибраций магнитопровода для исключения влияния вибрации обмоток необходимо снять нагрузку с трансформатора, т.к. ток холостого хода составляет доли процента, а динамические усилия на обмотку пропорциональны квадрату тока, то его влияние можно не учитывать. Вибрация опрессованного магнитопровода происходит из-за эффекта магнитострикции — изменения размеров и формы материала под влиянием магнитного поля. Для увеличения точности измерения вибрации обмоток замеры должны производится при максимально возможной в условиях эксплуатации нагрузке.

Поскольку активная часть (магнитопровод и обмотки) силового трансформатора предназначены для энергопреобразовательного процесса, то техническое состояние этой части оборудования должно контролироваться особенно тщательно.

Во второй главе рассматриваются вопросы анализа технического состояния силового трансформатора вибрационным методом.

Для достоверной оценки степени запрессовки магнитопровода был предложен расчет собственных частот колебаний магнитопровода трансформатора на основе способа расчета рам методом перемещений. f.

Для получения полного набора частот, соответствующих свободным колебаниям магнитопровода, рассмотрены три системы представления магнитопровода в виде двухпролетной рамы (симметричные, обратно симметричные и ассиметричные колебания).

Решение данных систем уравнений, для каждого вида колебаний, дают выражения для расчета собственных частот.

Получено математическое выражение для расчета собственных форм колебаний, которое учитывает геометрические размеры магнитопровода и характеристики его материала.

По найденным значениям корней определены значения собственных частот магнитопровода силового трансформатора.

Найдена зависимость значений собственных частот магнитопровода от его жесткости. При уменьшении степени запрессовки магнитопровода, снижается общая жесткость магнитопровода, что приводит к уменьшению значений его собственных частот.

Значение текущей жесткости сравнивается с «эталонной» и принимается решение о текущем техническом состоянии магнитопровода.

При рассмотрении вынужденных форм колебаний магнитопровода, рассчитаны силы, действующие на его элементы.

Рассматриваются силы, возникающие в активной части силового трансформатора при протекании по обмоткам электрического тока, а также влияние гистерезиса на форму кривой намагничивающего тока.

Работа силовых трансформаторов в течение длительного периода времени приводит к возникновению геометрической несимметрии обмоток относительно магнитопровода,.

Приводится описание природы возникновения сил на вещество находящееся под влиянием магнитного поля внутри катушки с током, и проводится аналогия с магнитопроводом и намотанной на него обмоткой.

Расчет вынужденных форм колебаний проводится с помощью метода перемещений и при этом определяются силы действующие на различные части магнитопровода. Составлена и решена система уравнений для расчета вынужденных форм колебаний, которая учитывает не только частоту вынуждающей силы и геометрические размеры обмоток, но и величину протекающего по ним электрического тока.

Рассматриваются продольные и поперечные силы, влияющие на магнитопровод, и определяются амплитуды этих сил. По значениям этих амплитуд определяется техническое состояние активной части трансформатора, при этом используются статистические данные предыдущих измерений.

В конце главы приводится методика определения технического состояния магнитопровода и обмоток трансформаторов, включающая в себя расчеты собственных частот и амплитуд.

Третья глава посвящена повышению качества оценивания спектральных характеристик вибрационных процессов силовых трансформаторов.

Рассматриваются вопросы измерения параметров гармонических колебаний при наличии широкополосной случайной составляющей. Точности оценок амплитуды и частоты гармонических компонент являются метрологическими характеристиками средств спектрального анализа, определяющими качество измерения.

Предлагается метод для анализа гармонических компонент с высоким разрешением и высокой точностью по частоте на фоне широкополосных помех, основанный на режекции отдельных гармоник. Показано, что разрешающая способность и точность определяется глубиной подавления гармонической компоненты режекторным фильтром. Рассматриваются возможности уменьшения случайной погрешности измерения амплитуды гармонического сигнала за счет дополнительного усреднения по множеству откликов анализирующих фильтров с учетом коэффициентов передачи на частоте гармонического сигнала.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки и применения системы вибрационной диагностики технического состояния силовых трансформаторов.

Основными параметрами системы являются разрядность АЦП, время дискретизации измеряемого сигнала, частота дискретизации, количество датчиков. Определены структуры стационарной и переносной вибрационных диагностических систем.

По результатам изложенных выше теоретических исследований разработана вибрационная система определения технического состояния силовых трансформаторов.

В данной главе изложен принцип работы системы и ее технические характеристики.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложениях приведены экспериментальные данные, внешний вид системы оценки технического состояния силовых трансформаторов, акты использования результатов диссертационной работы.

На защиту выносятся:

1. Расчетно-экспериментальный метод оценки собственных частот магнитопровода силового трансформатора.

2. Расчетно-экспериментальный метод оценки значений амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода силового трансформатора.

3. Метод анализа гармонических компонент с высоким разрешением и высокой точностью по частоте на фоне широкополосных помех.

4. Методика определения степени запрессовки магнитопровода и обмоток силового трансформатора на основе оценки собственных частот и амплитуд вынужденных форм колебаний.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре теоретических основ электротехники.

Казанского государственного энергетического университета, на кафедре электропривода и электротехники Казанского государственного технологического университета при подготовке специалистов по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнология».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработан расчетно-экспериментальный метод оценки собственных частот магнитопровода на основе метода перемещений. Показано, что собственные частоты определяются степенью запрессовки, при этом неравномерное усилие запрессовки по длине магнитопровода приводит к модели участка магнитопровода в виде балки переменной жесткости. Это позволяет определить степень запрессовки магнитопровода силового трансформатора по значениям собственных частот.

2. Разработан расчетно-экспериментальный метод оценки значений амплитуд вынужденных форм колебаний. Показано, что эквивалентная жесткость магнитопровода определяется по экспериментальным значениям амплитуд вынужденных форм колебаний, при этом учитывается влияние магнитного гистерезиса на форму кривой намагничивающего тока и дополнительные возмущающие силы на частотах кратных 50. Гц. Это позволяет без вывода силового трансформатора из эксплуатации определить степень запрессовки его магнитопровода по значениям амплитуд вынужденных форм колебаний.

3. Разработан метод анализа гармонических компонент с высоким разрешением и точностью по частоте на фоне широкополосных помех, основанный на режекции отдельных гармоник. Показано, что разрешающая способность и точность определяется глубиной подавления гармонической компоненты режекторным фильтром. Это позволяет определить частоты гармонических компонент с высокой точностью.

4. Разработана методика, определения степени запрессовки магнитопровода силового трансформатора на основе оценки собственных частот магнитопровода, а. также значений амплитуд вынужденных форм колебаний. Это позволяет определить техническое состояние магнитопровода по степени его запрессовки.

Таким образом, задача разработки расчетно-экспериментальных методов оценки собственных частот и оценки значений амплитуд, вынужденных форм колебаний магнитопровода силовых трансформаторов с высоким разрешением и точностью по частоте гармонических компонент, решена.