Разработка методики идентификации дефектов изоляции электроэнергетического оборудования по статистическим характеристикам частичных разрядов

Содержание

Актуальность темы. В настоящее время в Российской Федерации (РФ) доля оборудования электростанций со сроком службы свыше 30 лет составила абсолютное большинство. Поэтому остро стоит вопрос о техническом перевооружении станций на базе современного энергетического оборудования, в частности, генераторов с повышенными технико-экономическими показателями. Согласно основным положениям технической политики в электроэнергетике РФ на период до 2030 года, отечественная промышленность должна освоить выпуск новых видов генерирующего оборудования, в частности, турбогенераторов с полностью воздушным охлаждением до 350 МВт и осуществить разработку таких машин мощностью до 500 МВт [1]. Актуальным является также и промышленное освоение турбогенераторов до 1500 МВт с водяным охлаждением для АЭС и оснащение теплоэлектростанций на 25−30% асинхронизированными турбогенераторами. Причем техническое перевооружение действующих электростанций включает как замену, так и глубокую модернизацию оборудования. Совершенствование конструкций турбо- и гидрогенераторов тесно связано с возрастанием электродинамических, тепловых и термомеханических нагрузок, что требует решения ряда важных прикладных проблем, в том числе в области внедрения новых изоляционных материалов и разработки прогрессивных технологических процессов изготовления систем изоляции статорных обмоток [2], а также разработки и широкого внедрения современных систем диагностики их работоспособности.

Для высоковольтного электроэнергетического оборудования проблема контроля и технического диагностирования стоит особенно остро из-за большой ответственности выполняемых им функций. Успех ее решения во многом зависит от выбора контролируемых параметров, а также умения предсказать момент отказа на основании системного анализа критериев работоспособности путем использования интеллектуальных прогностических алгоритмов.

Хорошо известно, что работоспособность электрических машин высокого напряжения, в первую очередь, определяется надежностью систем изоляции статорной обмотки. Согласно статистическим исследованиям, проведенным в Северной Америке (США и Канаде) [3,4], более 37% отказов генераторов и электродвигателей с воздушным охлаждением и до 56% отказов гидрогенераторов связаны с проблемами электрической изоляции статорных обмоток этих машин, которые, в первую очередь, обусловлены развитием в них частичных разрядов (ЧР) различных типов и интенсивности.

ЧР в системах изоляции статорной обмотки электрических машин возникают под действием высокой напряженности электрического поля в местах пониженной электрической прочности. Они представляют собой либо пробои газовых включений внутри корпусной изоляции, либо местные электрические разряды в газе по поверхности твердого диэлектрика, и на этой основе разделяются на внутренние и внешние. Отказ системы электрической изоляции естественно происходит не мгновенно и, в первую очередь, определяется типом ЧР и областью их возникновения. Время от возникновения первичных ЧР до полного пробоя изоляции в большинстве зафиксированных случаев составляет от нескольких недель до десятков лет, наиболее опасными типами являются некоторые внешние ЧР, в частности, пазовые. Таким образом, характеристики и типы ЧР являются важными диагностическими признаками, что дает возможность обнаруживать технологические дефекты уже на стадии заводских приемо-сдаточных испытаний, планировать и осуществлять оптимальное финансирование ремонтных работ.

Следует учитывать, что в отличие от других диагностических методов, основанных на измерениях электрических характеристик (регистрация диэлектрических потерь, измерение абсорбционных характеристик и т. д.), измерение характеристик ЧР может выявлять локальные дефектные области и идентифицировать наиболее опасные типы ЧР, что обуславливает преимущество этого метода. Необходимым условием для этого является разработка эффективного алгоритма и программы идентификации дефектов изоляции по характеристикам ЧР, которые могли бы быть использованы в заводских условиях для контрольных испытаний. Мероприятия по разработке подобных методов могут быть реализованы только на основе использования знаний в области электротехнических материалов, теоретической электротехники и системного анализа. Кроме того, существенное влияние на разработку методов контроля оказывает эффективность разработанного программного обеспечения, возможность его технической реализации и доступность измерительных средств.

Таким образом, тема данной работы, посвященной разработке методики идентификации дефектов изоляции статорной обмотки высоковольтных электрических машин по характеристикам ЧР при интеллектуальной поддержке принятия решений в процессе диагностирования на этапе заводских испытаний, является актуальной.

Цель работы — разработать методику и автоматизированную систему для идентификации дефектов в элементах изоляции (статорных стержнях и катушках) и собранной статорной обмотки высоковольтных электрических машин в процессе заводских приемо-сдаточных испытаний.

Для достижения этой цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

— создать модельные образцы с искусственными дефектами-источниками частичных разрядов, характерными для изоляции высоковольтных электрических машин-

— экспериментально изучить влияние типов искусственных дефектов изоляции на статистические характеристики ЧР-

— выбрать и рассчитать характеристические признаки спектров ЧР различных типов-

— разработать алгоритм идентификации дефектов на основе спектров ЧР-

— провести апробацию разработанной программы идентификации технологических дефектов при приемо-сдаточных испытаниях реальной продукции в заводских условиях.

Методы исследования — при решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы и способы исследования электротехнических материалов и изделий, цифровой обработки сигналов, техники высоких напряжений, а также модельные и натурные эксперименты. При разработке вычислительного алгоритма использовались следующие программные продукты: Microsoft .NET Framework, С#, Windows Forms, WCF, Microsoft SQL Server.

Научная новизна работы:

— разработана математическая модель, описывающая амплитудно-фазовые спектры 4P-

— доказана эффективность использования статистических характеристик амплитудно-фазовых спектров 4P для идентификации технологических дефектов в системе изоляции высоковольтных электрических машин на этапе приемо-сдаточных испытаний-

— повышена распознающая способность интеллектуальной методики идентификации дефектов изоляции за счет дополнительного использования характеристических признаков, определяющих взаимное расположение спектров 4P на положительном и отрицательном полупериодах испытательного напряжения-

— впервые разработана комплексная методика и программа идентификации дефектов изоляции, основанная на дискриминантном анализе статистических характеристик спектров 4P.

Практическая значимость: Показана возможность применения разработанной методики идентификации дефектов по статистическим характеристикам 4P в лаборатории с использованием обучающей выборки и в заводских условиях при проведении контрольных испытаний статорных стержней турбо- и гидрогенераторов и статорных обмоток в сборе ряда мощных турбогенераторов производства ОАО «Силовые машины», завод «Электросила» в г. Санкт-Петербурге.

Использование разработанного программного продукта позволило повысить качество выпускаемой продукции за счет более эффективной отбраковки некондиционной продукции, что подтверждено Актом внедрения результатов диссертации.

Таким образом, полученные в диссертационной работе результаты дают основания рекомендовать к широкому практическому применению на предприятиях, производящих высоковольтные электрические машины, методику идентификации дефектов изоляции статорной обмотки по характеристикам ЧР, позволяющую:

— осуществить выходной контроль изоляции высоковольтного оборудования, выявляя факт появления и развития дефектов-

— проводить ранжирование однотипного оборудования по уровню ЧР и его паспортизацию перед вводом в эксплуатацию.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается сопоставлением полученных результатов с работами других авторов, с теоретическими расчетами и оценками- использованием современных методов исследования и стандартизованных методик измерений- изготовлением образцов в производственных условиях- значительным количеством образцов- проведением многочисленных повторных измерений, показывающих воспроизводимость результатов.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель, описывающая амплитудно-фазовые спектры ЧР, возникающих в системах изоляции высоковольтных электрических машин.

2. Алгоритм распознавания дефектов системы изоляции высоковольтных электрических машин на основе анализа амплитудно-фазовых спектров ЧР в процессе приемо-сдаточных испытаний.

3. Автоматизированный программный комплекс, реализующий модуль интеллектуальной системы обработки диагностической информации по характеристикам ЧР, и результаты анализа эффективности разработанных алгоритмов с использованием натурных данных.

5. Результаты исследования характеристик ЧР в модельных образцах изоляции с искусственными дефектами различных конфигураций, составляющих обучающую выборку.

6. Методика приемо-сдаточных испытаний систем изоляции статорной обмотки высоковольтных электрических машин по характеристикам ЧР.

Личный вклад автора состоит в определении цели и методов исследования- разработке конструкции и изготовлении испытательных модельных образцов- проведении экспериментальных исследований- разработке методики идентификации дефектов, а также в программировании автоматизированного вычислительного комплекса для статистической обработки спектров ЧР. Все результаты, представленные в работе, получены лично автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V Международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция — 2010» (Санкт-Петербург, 2010 г.), XII Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики — 2011) (Санкт-Петербург, 2011 г.), VIII Международной научно-практической конференции «Электроизоляционные материалы и системы изоляции электрических машин» (Московская область, 2011 г.), XVIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2012 г.), III конференции Молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО «Силовые машины» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.) на постоянно действующем семинаре

ФГАОУ ДПО ПЭИПК «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования» и других.