Разработка методов и средств мониторинга силовых трансформаторов

Актуальность работы. Последнее десятилетие характеризуется низким уровнем инвестиций в техническое перевооружение электрических станций и сетей. Спад промышленного производства привел к резкому росту изношенного энергетического оборудования. По данным Департамента генеральной инспекции РАО «ЕЭС России» около 30% оборудования подстанций 110.750 кВ выработало расчетный ресурс, а в электрических сетях 40.50%. На многих промышленных предприятиях ситуация еще более критическая: средний срок службы электрооборудования превышает 30 лет и более 80% выработало свой физический ресурс. При этом наблюдается устойчивая тенденция ежегодного роста на 0,4.0,7% количества технологических нарушений и аварий, большинство из которых приходится на маслонаполненное оборудование и, в первую очередь, силовые трансформаторы, автотрансформаторы и реакторы.

Объективные противоречия между состоянием энергетической базы и непрерывной потребностью в электрической энергии находят свое отражение в интенсификации научно-технического поиска путей своего разрешения. Стратегическое направление этого поиска сводится к изменению принципов эксплуатации и обслуживания электрооборудования и, в конечном счете, управления этим процессом. Концепция перехода на обслуживание по «состоянию» впервые сформулирована в «Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации (РД 34.20.501 — 95)» и развита во втором основополагающем нормативном документе — «Объемы и нормы испытаний электрооборудования (РД 34.45.300 — 97)».

Выявление дефектов в работе электрооборудования на ранней стадии их развития, своевременное принятие решений по ликвидации дефектов до возникновения аварийных ситуаций не только предотвращает значительные ущербы, но и сокращает время простоя, снижает затраты на ремонты и продляет срок его службы. Для рациональной, безопасной и эффективной эксплуатации электрооборудования и перехода к планированию его ремонта по фактическому состоянию существующие системы диагностики необходимо дополнить рядом специальных методов и технологий, способных вести статистику текущего состояния конкретного оборудования в рабочих режимах, имея в виду конечную цель: определение фактического износа, оценку остаточного ресурса и выработку требований эксплуатации и ремонтов для продления срока службы. Механическое перенесение методов диагностирования на решение задач прогнозирования невозможно из-за различия целей, моделей и организационных принципов. Особенно остро стоит проблема безопасной эксплуатации формально неисправного, но сохраняющего работоспособность оборудования в определенных режимах.

Существующие методы и средства технической диагностики при комплексном обследовании оборудования позволяют обнаружить большинство дефектов. Однако комплексные обследования, в силу большой трудоемкости и стоимости выполняются только на стратегическом оборудовании при выводе в ремонт и, естественно, не обеспечивают своевременного обнаружения развивающихся дефектов.

Принципиальной проблемой является существенное отставание теоретического обеспечения концепции обслуживания по состоянию от реальных возможностей современных средств диагностики и достижений информационных технологий.

Цель работы заключается в разработке методов и средств мониторинга силовых трансформаторов для принятия обоснованных управленческих решений по их эксплуатации и совершенствованию путем выявления дефектов и прогнозирования их развития преимущественно под рабочем напряжением. Основные задачи:

1) Исследование взаимосвязи механизмов развития дефектов с контролируемыми диагностическими признаками.

2) Исследование влияния на скорость износа изоляции силового трансформатора нескольких механизмов старения с разными энергиями активации.

3) Совершенствование алгоритма прогнозирования безопасной эксплуатации силового трансформатора с учетом результатов мониторинга.

4) Разработка и исследование технических средств температурного мониторинга.

5) Повышение чувствительности и точности определения угла сдвига фазы между зашумленными гармоническими сигналами.

6) Разработка рекомендаций по совершенствованию технологии мониторинга силового трансформатора средствами аналого-цифрового преобразования информации и микропроцессорной техники, а также по использованию результатов мониторинга для улучшения технико-экономических показателей силовых трансформаторов.

Методы исследования. При решении диссертационных задач использовались методы теоретического и эмпирического познания. На теоретическом уровне это методы теории надежности, теории идентификации, теории прогнозирования, теории принятия решений, а также теория электрических цепей, теория катастроф, теория измерений и теория погрешностей. На эмпирическом уровне использовались методы физического и математического моделирования, в том числе исследования на макетных образцах и путем вычислительного эксперимента. Научная новизна.

1) Усовершенствована математическая модель теплового износа изоляции силового трансформатора, позволяющая раздельно исследовать влияние температуры охлаждающей среды (воздуха), параметров состояния (потери мощности опытов холостого хода и короткого замыкания) и режима силового трансформатора (коэффициентов нагрузки по току и напряжению). Влияние нескольких механизмов старения с разными энергиями активации предложено учитывать относительно доминирующего фактора путем введения эквивалентного температурного коэффициента.

2) Развит аналитико-вероятностный метод экстраполяции результатов измерения диагностических признаков и предложен алгоритм прогнозирования остаточного ресурса силового трансформатора, позволяющий повысить достоверность прогноза за счет коррекции детерминированной основы прогнозирующей функции на каждом временном интервале по результатам оценки текущей погрешности прогноза.

3) Разработана методика измерения фазового сдвига между зашумленными гармоническими сигналами (векторами), исключающая выделение опорного вектора аппаратными средствами за счет разложения этих сигналов на ортогональные составляющие в виртуальном сигнатурном базисе.

4) Предложен принцип задания режима термочувствительной ячейки, обеспечивающий высокую линейность функции преобразования температуры в ток внешней цепи за счет использования токового зеркала.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1) Предложенная методика определения фактических параметров опытов холостого хода и короткого замыкания с помощью установленных на подстанциях 110/35/6 кВ ОАО «Невинномысский Азот» регистраторов электрических событий, позволяет оперативно отслеживать текущее состояние силовых трансформаторов под рабочим напряжением.

2) На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработан полупроводниковый датчик-преобразователь абсолютной температуры в ток, новизна которого подтверждена решением о выдаче патента. Предложена модель преобразования термодатчика, позволяющая оценивать его технические и метрологические характеристики на этапе проектирования. Выработаны рекомендации по его использованию в составе автоматических систем температурного мониторинга силовых трансформаторов.

3) Методика разложения векторов в виртуальном сигнатурном базисе исключает выделение опорного вектора аппаратными средствами и решает задачу измерения фазовых сдвигов между зашумленными гармоническими сигналами с высокой разрешающей способностью при ограниченном количестве разрядов и выборок на периоде аналого-цифрового преобразователя.

4) Разработана конструкция однофазного трансформатора с пониженной в 1,6 раза материалоемкостью, новизна которого защищена заявкой на изобретение. Эффективность конструкции подтверждена независимой экспертизой СКБ ИЦ концерна «Энергомера» и актом использования ОАО «Ставропольпромэнергоремонт» в испытательном энергетическом оборудовании для полевых условий.

5) Результаты исследований внедрены и используются ОАО «Невинномысский Азот», ОАО «Ставропольпромэнергоремонт» РАО «ЕЭС России» и ОАО «Завод измерительных приборов» концерна «Энергомера». Материалы теоретических и методических разработок нашли применение в учебном процессе НТИ Северо-Кавказского государственного технического университета. Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 7 конференциях, в том числе:

— III региональная научно-технической конференции «вузовская наука — Северо-Кавказскому региону». Ставрополь, 1999 г.

— XXX научно-техническая конференция по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 1999 г. Ставрополь, 2000 г.

— Межрегиональная конференция «Студенческая наука — экономике научно-технического прогресса». Ставрополь, 2000 г.

— Конференция молодых специалистов энергетики. Москва, 2000 г.

— Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики». Новочеркасск 2000 г.

— IV региональная научно-техническая конференция «вузовская наука — Северо-Кавказскому региону». Ставрополь, 2000 г.

— XXXI научно-техническая конференция по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2000 г. Ставрополь, 2001 г.

Публикации. По содержанию и* результатам диссертационной работы опубликовано 11 тезисов докладов, 5 статей и подано 2 заявки на патенты РФ, на одну из которых получено решение о выдаче патента.

Основные положения выносимые на защиту.

1) Усовершенствованная математическая модель износа изоляции силового трансформатора позволяет раздельно оценивать влияние температуры окружающей среды и потерь мощности в зависимости от его режима работы, учитывающая несколько механизмов старения изоляционных материалов с разными энергиями активации при расчете остаточного ресурса.

2) Усовершенствованный аналитико-вероятностный метод экстраполяции результатов измерения диагностических признаков и алгоритм прогнозирования позволяет повысить достоверность прогноза остаточного ресурса силового трансформатора за счет коррекции детерминированной основы прогнозирующей функции на каждом временном интервале по результатам оценки текущей погрешности прогноза.

3) Методика измерения фазового сдвига между зашумленными гармоническими сигналами (векторами), основанная на разложении их дискретных выборок в виртуальном сигнатурном базисе на ортогональные составляющие с последующим вычислением искомой величины, обеспечивает высокую разрешающую способность при исключении необходимости формирования опорного вектора аппаратными средствами.

4) Принцип задания режима термочувствительной ячейки полупроводникового датчика-преобразователя абсолютной температуры в ток, заключающийся в отражении выходного тока ячейки с помощью токового зеркала на ее вход, обеспечивает высокую линейность функции преобразования, большое динамическое сопротивление в широком диапазоне пи питающих напряжений и малое время установления выходного тока при подаче напряжения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержание которых изложено на 138 страницах, девяти приложений, содержит 48 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 131 наименования.

Выводы по четвертой главе.

1. Выполнена классификация методов обеспечения безотказности аппаратных средств мониторинга на основании разработанной информационно-энергети-ческой модели по этапам жизненного цикла ЭО — при проектировании, при производстве, при эксплуатации и при техническом обслуживании. Выделены наиболее перспективные методы, способы, и приемы обеспечения информационной и метрологической надежности, главными из которых являются: использование микрорежимасамотестирование и самокалибровка измерительных каналовпитание датчиков-преобразователей от полей рассеяния или внешними информационными сигналами.

2. Разработана методика расчета остаточного ресурса СТ по результатам измерения влажности масла, температуры и нагрузочного режимов. Предложенное промежуточное преобразование измеряемых параметров в частоту при накоплении значений мгновенных износов обеспечивает помехоустойчивость метода и простоту технического воплощения средствами микропроцессорной техники и аналого-цифрового преобразования информации.

3. Возможность реализации методики определения фактического износа изоляции СТ показана на примере микропроцессорного счетчика ресурса, для которого разработана структурная схема и функциональные схемы основных узлов. Стоимость комплектации счетчика ресурса СТ оценена на уровне 65.75 долларов США, а его функциональная надежность на уровне не менее 35 лет. Кроме своего основного назначения счетчик ресурса может быть использован для управления нагрузкой и системой охлаждения трансформатора, а также как информационно-измерительная подсистема для выполнения научных исследований и сбора фактического материала в условиях активного эксперимента.

4. На основании рекомендаций по использованию результатов мониторинга разработана конструкция трансформатора средней мощности с развитой поверхностью охлаждения, позволяющая получить существенную экономию активных материалов (стали в 1,4.2,2 раза, меди в 1,3. 1,1 раза). Независимая экспертиза (СКБ ИЦ ОАО Концерн «Энергомера») по результатам сравнительных испытаний подтвердила реальные возможности снижения массы активных материалов в 1,6 раза при низком уровне вибрации и шума, а также повышения технологичности серийных трансформаторов и реакторов в станциях катодной защиты объектов энергетики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами диссертационной работы являются:

1. Предложены математическое описание и геометрическая интерпретация развития дефектов в пространстве работоспособного состояния. Текущие результаты измерения параметров вектора диагностических признаков характеризуют фактическое состояние, а значение градиента этого вектора в направлении к границе неработоспособного состояния числено равно скорости развития дефектов. Определение опасности отказа или аварии через вероятность нанесения ущерба, превышающего допустимую норму, дает количественные критерии при назначении градаций подобластей с разным ресурсом и для оценки эффективности принятия управленческого решения по результатам мониторинга. Информационный подход к количественному определению ценности диагностических признаков позволяет сформулировать требования к точности и разрешающей способности средств измерения с учетом достоверности прогнозирования остаточного ресурса.

2. Усовершенствован аналитико-вероятностный метод аппроксимации и экстраполяции результатов измерения диагностических признаков и показана целесообразность выделения детерминированной основы и случайной составляющей при прогнозировании развития дефектов. Предложен алгоритм прогнозирования, учитывающий априорную и текущую информацию для параметрической и (или) структурной коррекции детерминированной основы прогнозирующей функции на каждом временном интервале по результатам оценки текущей погрешности прогноза. Вероятностная составляющая аналитического прогнозирования остаточного ресурса СТ позволяет количественно оценить степень риска в конкретных условиях эксплуатации.

3. Исследовано раздельное влияние коэффициентов нагрузки по току и напряжению, фактических потерь мощности в опытах холостого хода и короткого замыкания, влагосодержания изоляционных материалов и температуры окружающей среды на надежность СТ. Усовершенствованная модель термоактивируемых процессов учитывает несколько механизмов старения изоляции с разными энергиями активации и позволяет выполнить более точный расчет износа, а также учитывать выработанный ресурс средствами аналого-цифрового преобразования информации.

4. Предложена процедура и сходящийся итерационный алгоритм расчета параметров опытов холостого хода и короткого замыкания СТ при практической реализации метода электрического режима с использованием регистратора электрических событий. Натурные эксперименты позволили оценить погрешность расчетов на уровне суммарной погрешности средств измерения.

5. Предложен полупроводниковый датчик-преобразователь температуры в ток для температурного мониторинга СТ, имеющий практически линейную характеристику преобразования (нелинейность не более 0,1 °С) в диапазоне температур от минус 20 до + 120 °C, абсолютная погрешность не более 1 °C во всем температурном диапазоне, время переходного процесса при включении питания не более 1 мкс, напряжение питания от 3,5 до 20 В, динамическое сопротивление 5 Мом при крутизне 0,1 мкА/К. Получена обобщенная математическая модель термочувствительной ячейки, позволяющая выполнить анализ нелинейности характеристики преобразования и рассчитать параметры для конкретных конструкций.

6. Разработана методика вычисления фазового сдвига между зашумленными гармоническими сигналами (векторами) путем их разложения на четную и нечетную составляющие в произвольном виртуальном сигнатурном базисе. Ее реализация при определении тангенса диэлектрических потерь методом прямого сравнения векторов не требует выделения опорного вектора емкостного тока аппаратными средствами. Вычислительные эксперименты подтвердили высокую чувствительность (не хуже 0,1 эл.град. при 20 выборках на период) и помехоустойчивость метода (не хуже — 34 дБ без дополнительной фильтрации), а также позволили сформулировать требования к аппаратным средствам мониторинга. Методика вычисления фазового сдвига между гармоническими сигналами использована в серийных микропроцессорных счетчиках активной и реактивной энергии на два направления, в том числе многотарифном ЦЭ 6850 и эталонном ЦЭ 6815 предназначенных также для измерения параметров и контроля режима сети.

7. Эффективность использования мониторинга для совершенствования СТ показана на примере разработки конструкции однофазного трансформатора средней мощности, позволяющая снизить массогабаритные размеры в 1,6 раза при практическом отсутствии вибраций и шума.

8. Результаты исследований внедрены и используются ОАО «Невинномысский Азот», ОАО «Ставропольпромэнергоремонт» РАО «ЕЭС России» и ОАО «Завод измерительных приборов» концерна «Энергомера». Материалы теоретических и методических разработок нашли применение в учебном процессе НТИ Северо-Кавказского государственного технического университета.