автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Диагностика и мониторинг высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования

На правах рукописи

СЕМЕНОВ ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ высоковольтного МАСЛОНАЛОЛНЕННОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2004

Работа выполнена на кафедре информатики и информационных технологий Башкирского государственного аграрного университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Костюкова Татьяна Петровна

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Галиеп Анвар Лутфрахманович

кандидат технических паук, доцент, Вавилова Ирина Владимировна

Ведущее предприятие - «Энергоавтоматика»

ОАО «Башкирэнерго» г. Уфа

Защита состоится 2004 г. в /4 00 часов на заседании

диссертационного совета Д - 212.288.02 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К.Маркса, 12, УГАТУ

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн. наук, профессор

Г.Н. Утляков

49805* 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Надежность и бесперебойность работы силовых элегаротехнических комплексов и систем во многом определяется работой элементов составляющих их, и в первую очередь: силовых трансформаторов, обеспечивающих согласование комплексов с системой и преобразование ряда параметров электроэнергии для дальнейшего ее использования. Одним из перспективных направлений повышения эффективности функционирования электротехнического маслонаполненного оборудования является совершенствование системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования. В настоящее время путем кардинального снижения объемов и стоимости технического обслуживания осуществляется переход от предупредительного принципа и жесткой регламентации ремонтного цикла и периодичности проведения ремонтов к обслуживанию по техническому состоянию.

При переходе к системе ремонтов по техническому состоянию качественно изменяются требования к системе диагаостирования электрооборудования, при которой главной задачей диагностирования становится предотвращение аварийного отказа и прогноз технического состояния на длительный период. Решение такой задачи не является тривиальным и возможно только при комплексном подходе к совершенствованию методов, средств, алгоритмов и. организационно-технических форм диагностирования.

Определение работоспособного состояния оборудования основано на оценке контролируемых параметров, для которых определяются тревожные и аварийные уровни сигнала. Сравнение действующих значений с установленными уровнями тревоги и предыдущими замерами дает оценку изменения состояния.

Одним из основных направлений в вопросах диагностики электрооборудования является диагностика силовых трансформаторов. Вызвано это обстоятельство высокой стоимостью трансформатора, его значимостью в вопросах надежности электроснабжения потребителей, сложностью определения повреждений и дефектов на ранней стадии развития.

Особый интерес в вопросах диагностирования проявляется к бесконтактным методам определения остаточного ресурса т.к. они позволяют выполнять контроль на работающем оборудовании, К таким методам относятся: хроматографический анализ растворенных в масле газов, акустический контроль, тепловизиопное диагностирование и др.

Проведенный анализ научно-технической отечественной и зарубежной литературы показал, что несмотря на большой интерес к мониторингу работоспособности и качеству функционирования электротехнических комплексов, в работах, непосредственно посвященных мониторингу тепловых полей сложных электротехнических элементов и устройств недостаточно проработан вопрос , идентификации внутренних развивающихся дефектов по тецловому полю, не

исследованы процессы распределения тепловых потоков с учетом движения хладагента, не установлены оценочные показатели определения внутренней абсолютной температуры, не достаточно рассмотрены вопросы определения и идентификации внутренних повреждений трансформаторного оборудования.

Поэтому теоретическое обобщение процессов теплового распределения в трансформаторах и идентификация на этой основе его повреждений (состояния работоспособности) является актуальной научной задачей.

Основания для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена в Башкирском государственном аграрном университете по плану научно-исследовательских работ.

Целью выполнения диссертационной работы является оценка работоспособности и качества функционирования высоковольтного маслонаполнешюго трансформаторного оборудования с возможными повреждениями и идентификация внутренних дефектов по внешнему температурному полю.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) разработка математической модели распределения внутреннего теплового поля трансформатора с учетом движения трансформаторного масла и собственных источников тепловой энергии для идентификации внутреннего повреждения по поверхностному тепловому полю силового трансформатора;

2) оптимизация системы диагностирования трансформаторного оборудования и разработка алгоритма расчета теплового износа изоляционных материалов для более эффективной и безопасной эксплуатации электротехнических комплексов и разработка статистической модели определения вероятностей нахождения трансформатора в различных эксплуатационных и ремонтных состояниях с применением современных методов компьютерного моделирования;

3) разработка методики проведения мониторинга электротехнического оборудования по тепловому состоянию, расширяющей возможность выявления и идентификации повреждений электротехнического оборудования, внедрение теоретических исследований в производственный процесс оценки функционирования электротехнического оборудования, в том числе после выработки ими положенного ресурса;

4) создание программного обеспечения просмотра и анализа радиометрических термограмм для оперативного принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации работающего маслонаполнешюго оборудования.

Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением методов дифференциального и интегрального исчисления, конечных элементов, Шеннона - Фано. В работе использовались пакет' визуального много -физического моделирования СОМБОЬ РЕМЬАВ 2.3, интегрированный в математическую систему МАТЬАВ, для моделирования тепловых процессов во

внутренней части бака трансформатора и расчета превышений температур на его поверхности, и математическая среда МаЛСАБ. На защиту выносятся:

1. Математическая модель распределения теплового поля внутри трансформатора с учетом дефектов, движения хладагента, собственных источников тепловой энергии, позволяющая выявлять влияние внутренних повреждений на внешнее температурное распределение и установить влияние места расположения и вида дефекта на общее распределение теплового поля трансформатора.

2*. Система комплексного диагностирования трансформаторного оборудования и алгоритм расчета теплового износа изоляционных материалов, применяемых в конструкции трансформатора.

3. Методика проведения тегоювизионного контроля электротехнического оборудования, оценочные показатели выявления и идентификации повреждений трансформаторного оборудования.

4. Результаты экспериментальных исследований, включающие в себя:

• подтверждение адекватности математической модели и достоверности полученных теоретических данных;

• внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований распределения температурных полей на поверхности бака от внутренних повреждений в практическую деятельность диагностических служб.

5. Программное обеспечение просмотра и анализа радиометрических термограмм для оперативного принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации.

Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы:

1. Классифицированы повреждения маслонаполненного трансформаторного оборудования с выделением дефектов, являющихся источниками дополнительной тепловой энергаи.

2. Разработана математическая модель распределения теплового ' поля внутри трансформатора с учетом развивающихся дефектов, движения хладагента, собственных источников тепловой энергии.

3. Предложен метод определения внутренних превышений температуры и глубины залегания повреждения по поверхностному распределению теплового поля, что позволило расширить возможности оценки дефектности и ресурса изоляционных материалов трансформатора по термограммам.

Практ ическую ценность имеют:

1. Методика определения превышений температур внутренних дефектов на поверхностное распределение теплового поля, позволяющая определять внутренние повреждения и идентифицировать дефекты по поверхностному температурному полю элекгротехнического оборудования.

2. Результаты исследований, включающие:

• оценочные показатели определения абсолютной температуры внутреннего дефекта обмоток и магнитной системы, необходимые для выявления и идентификации места возможного повреждения;

• поправочную прямую локализации дефекта и зоны чувствительности области, в которой возможно наличие дефектных узлов.

3. Алгоритм комплексной диагностики высоковольтного электротехнического оборудования по критериям трудозатраты и стоимость.

4. Программное обеспечение, позволяющее просматривать и анализировать полученные термографические изображения.

Внедрение результатов работы. Научные результаты работы и разработанный программный продукт внедрены в ГУЛ «Институт проблем транспорта энергоресурсов», в практическую деятельность лаборатории технической диагностики ООО «Энерготехсервис», а также в учебный процесс БГАУ.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях: «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Computer-based conference) - 2002 г., 2003 г. (г. Н. Новгород), на VII Международном симпозиуме "Электротехника 2010" - 2003 г. (г. Москва), на девятой ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2003 г. (г. Москва), на Международной конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы EECCES-2003» - 2003 г. (г. Екатеринбург), на межвузовской студенческой научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» - 2003 г. (г. Воронеж), на Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Аграрная наука в XXI веке» - 2003 г. (г.Уфа), на Всероссийской молодежной научно-технической конференция с международным участием «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» - 2003 г. (г. Уфа), на десятой ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - 2004 г. (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 10 статей, одно свидетельство о регистрации в отраслевом фонде алгоритмов и программ Министерства образования РФ и информационно-библиотечном фонде РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 107 наименований и 2-х приложений. Основная часть диссертации изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении выявлена научно-техническая задача, решаемая в диссертации, показана ее актуальность и практическая значимость, сформулирована основная цель работы и обоснован перечень необходимых исследований, которые необходимо решить для ее достижения. Определены научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена основным вопросам анализа систем мониторинга и диагностирования электротехнического оборудования, классификации возможных отказов высоковольтных маслонаполненных трансформаторов, а также рассмотрению автоматизированных систем для принятия решения задач контроля и оценки технического состояния трансформаторов.

Представлена классификация основных дефектов трансформаторов по узлам, рассмотрены причины их возникновений и характер развития повреждений приводящих к различным состояниям оборудования.

Рассмотрены системы диагностики отказов, методы мониторинга оборудования для которых определен вид диагностической ценности.

Приведены некоторые модели развивающихся дефектов, предназначенные для выявления связи между состояниями их элементов и диагностическими признаками этих состояний. Анализ изменения состояний элементов трансформатора позволяет: выявить «критические» состояния элементов; достичь требуемой для диагностики степени детализации состояний; определить оптимальное время вывода в ремонт; определить мероприятия, предупреждающие ухудшение состояния элементов трансформатора.

Рассмотрены системы непрерывного контроля состояния электротехнического оборудования, охватывающие параметры, изменение которых сигнализирует о развитии большего числа дефектов с учетом режимов его работы, позволяющие полнее оценить общее состояние трансформатора, прогнозировать процесс его ухудшения. Показаны контролируемые параметры маслонаполненного оборудования в системе мониторинга существующих диагностических систем.

Изучение и критический обзор существующих методов диагностирования силовых маслонаполненных трансформаторов позволил сделать вывод, что наиболее рациональным является метод тепловизионного контроля, позволяющий проводить мониторинг оборудования находящегося под нагрузкой, и предложено расширить возможности применения тепловизионной техники в задачах диагностирования внутреннего состояния трансформаторов, исходя из этого определено направление исследований.

Вторая глава посвящена вопросам построения математической модели распределения теплового поля внутри трансформатора с учетом движения трансформаторного масла, собственных источников тепловой энергии и

возможностью задания внутренних температурных превышений в различных точках теплового пространства.

Для этого рассмотрены феноменологические тепловые схемы замещения силовых маслонаполненных трансформаторов (рис. 1) с учетом кондуктивных, конвективных и лучистых величин тепловых сопротивлений, характеризующих тепловые связи между поверхностями.

5 7

Рис. 1 Расположение обмоток на стержнях магнитной системы силового трансформатора (поперечное сечение трансформатора). 1 - бак; 2 - устройство РПН, 3 - обмотки ВН и НН; 4 - масло; 5 - ярмо, б - отводы обмоток, 7 - балка стяжная

Уравнение нагрева для неизотропных сред, каким является трансформатор, имеет вид:

Ъв д(3 дв),д(, дв\д(2 д6\,„ . т

где с - удельная теплоемкость материала (хладагента); у -■ удельная плотность материала (хладагента); ц то - мощность внутренних источников теплоты магнитопровода (индекс т), обмоток (индекс о), Лх,Яу,Яг - коэффициент-теплопроводности в направлении оси х, у, г.

При теплопередаче через трансформаторное масло учтено, что кроме конвективного теплообмена, неизбежно наблюдается взаимодействие частиц с различной температурой, что приводит к теплопередаче теплопроводностью. Поэтому при аналигическом описании процесса нагрева в математическую модель введены: уравнения теплопроводности с учетом массообмена; движения жидкости (уравнение Навье - Стокса) и неразрывности жидкости; а также условия однозначности, т.е. начальные и граничные условия первого, второго, третьего и четвертого рода.

Па основании обзора существующих методов расчета объемных тепловых полей силового трансформатора при размещении в нем конструктивных элементов с

различными теплофизическими свойствами материалов, размерами и формой, а также с учетом вышеописанных уравнений и схем замещения получения непрерывного теплового поля для тепловых режимов работы трансформатора наиболее рациональным является метод конечных элементов (МКЭ).

Тепловое поле трансформатора характеризуется пространственным распределением температуры и плотности потока тепловой мощности (рис. 2).

Рис. 2 Фрагмент эквивалентной тепловой схемы замещения силового двухобмоточного трансформатора в поперечном сечение конструктивных частей на высоте 0,5 м от дна бака трансформатора (выбранное сечепис трансформатора не пересекает устройство регулирования напряжения)

Для геометрической модели трансформатора, представленной на рис. 3 приняты следующие допущения: распределение теплового поля - непрерывное в пределах конечного элемента; геометрические объекты (конструктивные элементы трансформатора) обладают свойствами однородности; анизотропность магнитной системы составляет 10:1 вдоль оси цилиндра. Так как падение температуры по высоте стенки бака составляет 2 - 3 °С, то в геометрической модели не учитываются теплофизкческие свойства материала колокола бака силового трансформатора, а также применяемое навесное оборудование.

Уравнение ншрева трансформатора в динамическом режиме:

рсЩ-сН^к&сиМ^й, (2)

от

где р - плотность потока тепловой мощности, Вт/м2; С - удельная теплоемкость вещества, Дж/град-кг; к - коэффициент теплопередачи, учитывающий все три вида

теплопередачи, Вт/град-м; в - температура, град; - объемная плотность мощности сторонних источников, Вт/м3;

Применение метода Галеркина к (2) в сочетании с МКЭ приводит к уравнению:

|[]У]Г {-гЦ/с (6>)] + ав}{{У = в сIV, (3)

С V

где [ЛГ]Г - вектор-столбец, полученный транспонированием строки [/V] из функций формы одномерного симплекс элемента ; а - коэффициент теплоотдачи.

2-Л("

где а'/' = х, ■у/ - .гу ■ уп Ь[г) = у, - У], с,''1 = х, -л"у; л;, у, - координаты точки вершины ; конечного элемента; Л - площадь к -го треугольника. После преобразования получим:

|-</п.[[Лг]г к р-ас1 + [//]г к g|■ad (#) + [Л']г(IV = j[N]rQdV. <5)

Для решения системы уравнений (2) заданы граничные условия для геометрической модели. Ими являются значения температуры дна бака трансформатора 27 °С, внутренних границ п {к &-а<1 в) = 0 и внешней границы п (к %га<1 в) = к$вр{в' -в*,), где п - вектор нормали. Сборка глобальной матрицы уравнения:

ЬД+ср, й Ьр1+срр ¿>Д +сркс1 Ьр^+Ьрр! Ьрр+Ьр^ Ьркк+Ькср1

Ьр +срр Ър] +с]ср Ьрк+с£кс1 Ь^к+срё Ърр+Ърр Ьркк+Ькср

Ьр+Ск¥ ЬкЬ^скс/1 ЬкЬк +скскс( Ь.с/с+с^Н Ьрр+Ър^ Ькскк+Ькск<1

Ьр,к+Ьрр1 Ьр/с+Ьр/1 Ькс,к+Ьрк(1 ср, + Ь:Ьр1 ерр+Ьрр сркк+Ьркс1

Ьрр+Ьрр1 Ьрр+Ьрр1 Ькср+Ьрк({ ср1 + ЬДс/ ср1-!гЬр)й сркк+Ърк(1

Ьрк/с+Ькср1 Ьркк+Ькср1 Ькскк+Ькскй срк +Ьркс1 срк+Ьркс! скск +ЬкЬкс1

где (/=(1-А)/2, коэффициенты ЬррЬк,с„срскнаходятся по формулам: Ь,=У,-УГ> Ь/=У*-У,> К^УгУр

[В]-

С/ =х, -х,; с1=хгх1.

По трехмерной тепловой модели силового трансформатора, представленной на рис. 3, получены картины непрерывного теплового поля, по которым определены распределения температур по вертикальной оси (рис. 4) и в поперечном сечении стержня на различных высотах трансформатора (рис. 5).

-<■'" 0 ^ Расчетное тепловое поле

Рис. 3 Трехмерная теплопая модель силового трансформатора

28 28 30 32 34 35 33 40 42 44

Рис. 4 Расчетное распределение температуры по вертикальной оси масляного трансформатора.

Рис. 5 Расчетное распределение температуры в поперечном сечении стержня на различных высотах. 1 - стержень; 2,3 - обмотки НН и ВН, 4 - масло; 5 - стенка бака.

Проведенные расчеты показывают, что падение температуры внутри обмотки незначительно. Перепад температуры от нагретой поверхности обмотки к маслу

составляет - 20 - 30 по ВЫСоте обмотки от общего превышения температуры обмотки над температур воздуха. Перепад температуры от масла к стенке бака невелик и падение темпергурЫ в стенке бака не превышает 1 - 2 °С. От стенок бака в ссужающую среду лрихоихея 60 - 70 % общего перепада температуры, которая осуществляется за счет конвчции и излучения.

Представленные харац-еристики (рис. б) позволяет сделать выводы по выявлению и идентификации пнувренних дефектов, расположенных на высоте 0,15 м от дна бака силового трансформатор. При наличии дефекта на глубине менее 0,4 м от вертикальной поверхности трансформатора возможность его выявления появляется тогда, когда температурный здтепциал источника более 250 °С.

0,° с

Рис. б Характеристики, полученные при исследовании поверхностного теплового-поля

а) при различных температурных потенциалах т с глубиной залегания 0,4 м от поверхности бака на высоте 0,15 м от дна бака трансформатора;

б) при постояпной температуре превышения 300 °С с различной глубиной залегания Д от поверхности бака на высоте 0,15 м от дна бака.

Таким образом, во второй главе разработаны математические модели распределения теплового поля внутри трансформатора с учетом движения хладагента, собственных источников тепловой энергии, позволяющие исследовать влияние превышений температур внутренних повреждений на собственное тепловое поле силового трансформатора, а именно:

- определить связь абсолютной температуры внутреннего дефекта, размещенного на фиксированной глубине с превышением температуры пятна на поверхности бака трансформатора;

- определить связь превышения температуры пятна на поверхности бака трансформатора с абсолютной температурой дефекта, размещенного на разных глубинах погружения в баке трансформатора.

- получить рекомендации по выявлению и идентификации внутренних повреждений маслонаполнснного электротехнического оборудования.

Третья глава посвящена разработке комплексного алгоритма диагностики масляных трансформаторов, прогнозированию остаточного ресурса изоляции трансформатора по тепловому износу и определению времени сохранения работоспособности электротехнических объектов, разработке мероприятий по предотвращению отказов при эксплуатации электротехнических систем и методов обеспечения эксплуатационной безотказности.

Согласно РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования» выбраны 11 методов испытаний, наиболее определяющих для задачи оптимального диагностирования, по которым определены: трудоемкости, достоверности испытаний, а также вероятности обнаружения дефектов полученные на основе различных источников данных. Для получения схем оптимального диагностирования по критериям трудозатрат и стоимости применен метод Шеннона -Фано.

Предложен алгоритм, позволяющий оценить износ изоляционных материалов от действия внутренних источников теплового потока, что дает возможность оперативного проведения мероприятий по предотвращению возникновения дефектов, носящих скрытый характер, и установить причину их возникновения.

Для численного определения времени сохранения работоспособности электротехнического оборудования должна быть известна совокупность реализаций случайного процесса изменения трансформатора, определяющая модель процесса. Совокупность реализаций определяется из опыта эксплуатации аналогов трансформатора. Время сохранения работоспособности

где т, - математическое ожидание; а, - среднеквадратическое отклонение.

Эффективность системы технического обслуживания оценена по величине функционала 7, характеризующего время пребывания трансформатора в состояниях технического обслуживания и восстановления по отношению к времени нахождения в работоспособном состоянии при определённом уровне технической готовности.

где и = б - количество рассматриваемых состояний трансформатора.

Четвертая глава посвящена вопросам исследования тепловых полей с влиянием на них тепловых источников повреждений обмоток и магпитопровода, разработке методики проведения тепловизионного контроля трансформаторного оборудования с возможностью локализации места дефекта и определения сто внутренней температуры, обработке погрешностей, а также проверке адекватности полученных теоретических данных экспериментальным.

tc~m,-cг,л/з,

По результатам множественных расчетов, часть та которых представлена на рис. 7 и 8, создана таблица 1, в которой отображены оценочные показатели определения температуры внутренних дефектов магнитной системы по температурным кривым.

Рис. 7 Характеристики распределения Рис. 8 Характеристики распределения температуры по высоте трансформатора с температуры по высоте трансформатора с дефектами верхнего ярма дефектом обмотки на h = 1,9 м

Таблица 1. Оценочные показатели определения температуры на верхнем ярме магнитной системы г/к

о,"с 100 150 200 250 300 350 400 450 500

h,м 0,40 0,52/0,12 0,52/0,17 0,52/0,22 0,52/0,27 0,52/0,31 0,52/0,36 0,52/0,43 0,52/0,50 0,52/0,62

0,45 -- 0,58/0,10 0,58/0,15 0,58/0,17 0,58/0,23 0,58/0,28 0,58/0,32 0,58/0,39 0,58/0,47

0,50 - - 0,64/0,06 0,65/0,90 0,66/0,13 0,66/0,17 0,67/0,22 0,68/0,29 0,68/0,36

где г - средний радиус теплового пятна, определяемый на поверхности бака трансформатора; к = 0тах - вн, приведенная высота теплового пятна.

На рис. 8 приведены характеристики превышения температуры на поверхности бака трансформатора по высоте обмотки при задаваемых значениях абсолютной температуры от 50 до 350 "С с шагом 50 "С на расчетной точке расположения повреждения 1,9 м. Проведенная серия математических экспериментов позволила создать оценочные кривые определения внутришего превышения температуры дефекта на обмотках трансформатора (рис 9).

Наличие движения масла в трансформаторе ведет к смещению проекции теплового пятна на поверхность бака. Для локализации места дефекта получена поправочная прямая (рис. 10).

Рис. 9 Кривые определения внутреннего Рис. 10 Поправочная прямая локализации превышения температуры дефекта на дефекта при естественной циркуляции обмотках трансформатора масла

На основе полученных данных разработаны рекомендации проведения теготавизионного контроля и анализа термографических изображений вошедшие в методику, дающие возможность идентифицировать внутренние повреждения, чгго развивает существующие методики контроля.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты теоретической и практической разработки состоят в следующем:

1) Разработана математическая модель и исследованы температурные поля трансформатора с учетом движения масла и собственных источников тепловой энергии, позволяющая идентифицировать внутренние дефекты с различными превышениями температуры и получать непрерывные тепловые распределения. В результате применения современных компьютерных технологий получена серия тепловых распределений, позволивших определить:

-- 1раницы выявления и идентификации повреждений малштной системы с температурой дефекта 200 °С и глубиной 0,5 м, и высоковольтных обмоток с температурой дефекта 150 °С и общей глубиной заиегания 0,4 м, при которых обосновано применение активного тепловизионного контроля;

- поправочную прямую локализации дефекта и зоны чувствительности области, в которой возможно наличие дефектных узлов;

- отношение г/И >10 при котором практически невозможно выявлять и идентифицировать внутренние развивающиеся повреждения обмоток по поверхностному температурному распределению силового трансформатора.

2) Предложены оптимальные схемы диагностирования трансформаторного оборудования но критериям: трудозатраты и стоимость испытаний, алгоритм расчета

теплового износа изоляционных материалов для более эффективной и безопасной эксплуатации электротехнических комплексов с учетом собственной температуры дефекта.

3) Разработана статистическая модель определения вероятности состояний трансформатора в различных эксплуатационных и ремонтных состояниях с применением современных методов компьютерного моделирования, что позволило автоматизировать процесс оценки систем технического обслуживания и обеспечить: стационарный коэффициент готовности не ниже К, ~ 0,484; а значение функционала J, характеризующего общее время безаварийной работы по отношению ко всему сроку эксплуатации, не менее 0,499.

4) Разработана методика по проведению мониторинга электротехнического оборудования по тепловому состоянию, расширяющая возможность выявления и идентификации повреждений электротехнического оборудования, получены оценочные показатели определения абсолютной температуры внутреннего дефекта и поправочная прямая локализации места расположения повреждения.

5) Внедрены в производственный процесс мониторинга и диагностирования высоковольтного трансформаторного оборудования: методика тепловизионного контроля электротехнического оборудования, в том числе после выработки ими положенного ресурса, и разработанный программный продует анализа радиометрических термограмм, позволяющий проводить экспресс-анализ полученных радиометрических термограмм в полевых условиях, что ускоряет процесс принятия решения о возможности дальнейшей работы электрооборудования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Костюкова Т.П., Семенов В.В. Диагностика и мониторинг высоковольтного маслонаполненного оборудования // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве (Computer-Based Conference): Материалы V Всеросс. науч. - техн. конф. - Н. Новгород: Н. Новг. гос. техн. ун. - т, 2002. - С. 4 - 5.

2. Косгажова Т.П., Семенов В.В. Анализ состояния мониторинга высоковольтного маслонаполненного оборудования // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Сборник трудов. - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2002.-С. 48-52.

3. Диагностика и мониторинг - основа обслуживания высоковольтного маслонаполненного оборудования / Т.П. Костюкова, В.В. Семенов.; Башкирский госуд. аграрный ун.- т. - Уфа, 2003. - 33 с. Ден. в ВИНИТИ №.334 - В2003

4. Костюкова Т.П., Семенов В.В. Анализ видов, последствий и критических отказов силового энергетического оборудования. Методы обеспечения эксплуатационной безопасности // VII симпозиум «Электротехника 2010»: Сборник науч!шх трудов. - М, 2003. - С. 69 - 72.

5. Семенов В.В. Диагностика технического состояния электрооборудования 6 - 1150 кВ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Материалы девятой Междунар. науч. - техн. конф., Т.З. - Москва: МЭИ, 2003. - С. 317 - 318.

6. Костюкова Т.П., Семенов В.В. Диагностика силовых трансформаторов. Неразрушающие методы мониторинга // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы EECCES-2003: Материалы Междунар. конф. Екатеринбург: Уральск., гос. техн. ун.- т - УПИ, 2003.-С. 402-405.

7. Семенов В.В., Нургалеев А.Н. Использование тепловизионных систем диагностики для предупреждений аварий маслонаполненного оборудования. Адекватность измерений // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: Труды региональной научн. - техн. конф. - Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун. т, 2003. С. 79 - 82.

8. Семенов В.В. Экспертная поддержка процессов диагностики силовых трансформаторов // Аграрная наука в XXI веке: Материалы республик, науч.- практ. конф. - Уфа: Башкирский гос. аграрный ун.- т, 2003. - С. 283 - 285.

9. Семенов В.В. Контроль состояния маслонаполненного оборудования на основе хроматографического анализа газосодержания масла // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве (Computer-Based Conference): Материалы IX Всеросс. науч. - техн. конф. - Н. Новгород: Н. Новг. гос. техн. ун. - т, 2003.-С. 14-15.

10. Семенов В.В. Выявление внутренних повреждений силового маслонаполненного оборудования по внешнему тепловому полю // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Материалы Всеросс. молодежной науч. -техн. конф. Уфа: Уфимск, гос. авиац. техн. ун - т, 2003. - С. 214.

11. Семенов В.В., Нургалеев А.Н. Исследования тепловых полей энергетического маслонаполненного оборудования II Всероссийский конкурс на лучшие научно-технические и инновационные работы творческой молодежи России по естественным наукам. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2003. - С. 118 - 119. // [Электронный ресурс]. - Режим доступа к сборнику.: http://dni.sstu.ru/work/ konk2003.nsf (дата 12.03.04)

12. Семенов В.В. Диагностирование маслонаполненного оборудования по внешнему тепловому полю // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Материалы десятой Междунар. науч. - техн. копф., Т.З. - Москва: МЭИ, 2004. - С. 289.

13. Семенов B.B. TermoScanner - программа анализа и просмотра термограмм // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3173. Выдано 03.03.2004 Отраслевым фондом алгоритмов и программ, (дата регистрации 10.02.04)

14. Костюкова Т.П., Семенов В.В. Диагностика электротехнического маслонаполненного оборудования в эксплуатации на основе тепловизионного метода контроля // ЭЛЕКТРО. 2004. - №3. - С. 30 - 32.

15. Костюкова ТЛ., Семенов В.В. Исследование распределения теплового поля от возможных повреждений силовых трансформаторов // Труды 5-й Междунар. науч. -техн. конф., Часть 1. СПб.: Изд-во «Нестор», 2004. - С. 117 -120.

16. Семенов В.В. Диагностика и мониторинг - основа обслуживания высоковольтного электротехнического оборудования // Сборник докладов участников слета молодых энергетиков Башкортостана, Уфа.: Изд-во «Скиф», 2004. - С. 50 - 55.

СЕМЕНОВ ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ высоковольтного МАСЛО! 1А1ЮШ ШТ ШОГО ЭЛЕКТРОТЕХ1ШЧЕСКО! 'О ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 16.11.04 Формат 60x84 1/16, Бумага офсетная . Печаи. ризографичсская. Гарнитура " Тайме " Усл. печ. л. 0,46. Уч. изд.л.0,93. Тираж 100 экч. Заказ 032. Отпечатано егогошх оригиналов в типографии «Печатный домъ» ИП Верно. Уфа. Цюрупы 151 оф. 22. т/ф.: 227-600, 229-123, 745-935

РНБ Русский фонд

2007-4 19805

/

i'," . :

19 нояАии,;, I

i ' -с V

Введение.

1. Мониторинг и диагностика - основа обслуживания высоковольтного маслонаполненного оборудования.

1.1. Классификация отказов {дефектов) высоковольтных электроэнергетических маслонаполненных аппаратов.

1.2. Системы диагностики отказов.

1.3. Системы принятия решений.

1.4. Состояние вопроса и постановка задач исследования.

2. Математическое моделирование тепловых процессов силовых масляных трансформаторов.

2.1. Тепловая схема замещения силового двухобмоточного маслонаполненного трансформатора.

2.2. Математическое моделирование тепловых процессов в силовом маслонаполненном трансформаторе.

2.3. Компьютерное моделирование тепловых процессов силовых маслонаполненных трансформаторов.

Выводы по второй главе.

3. Прогнозирование изменения состояния силовых трансформаторов.

3.1. Алгоритм комплексной диагностики масляных трансформаторов.

3.2. Прогнозирование остаточного ресурса изоляции трансформатора по тепловому износу.

3.3. Определение времени сохранения работоспособности объектов.

3.4. Предотвращение отказов при эксплуатации электротехнических систем.

3.5. Расчет показателей надежности (безотказности) и методы обеспечения эксплуатационной безотказности.

Выводы по третьей главе.

4. Экспериментальные исследования температурных полей маслонаполненного трансформаторного оборудования.

4.1. Исследование влияния тепловых полей от источников нагрева дефектов в обмотках и магнитопроводе трансформатора.

4.2. Тепловизионный контроль трансформаторного маслонаполненного оборудования.

4.3. Обработка экспериментальных зависимостей.

4.4. Программа ThermoScanner v. 1.00. Алгоритм обработки термографических данных.

4.5. Перспективы развития мониторинга и диагностики электротехнического трансформаторного оборудования.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность. Надежность и бесперебойность работы силовых электротехнических комплексов и систем во многом определяется работой элементов составляющих их, и в первую очередь: силовых трансформаторов, обеспечивающих согласование комплекса с системой и преобразование ряда параметров электроэнергии в требуемые величины для дальнейшего ее использования. Одним из перспективных направлений повышения эффективности функционирования электротехнического маслонаполненного оборудования является совершенствование системы технического обслуживания и ремонтов электрооборудования. В настоящее время кардинальным путем снижения объемов и стоимости технического обслуживания электрооборудования, численности обслуживающего и ремонтного персонала осуществляется переходом от предупредительного принципа и жесткой регламентации ремонтного цикла и периодичности проведения ремонтов к обслуживанию на основе нормативов планово -предупредительных ремонтов. Разработана концепция эксплуатации электротехнического оборудования по техническому состоянию путем более глубокого подхода назначению периодичности и объемов технических обслуживаний и ремонтов по результатам диагностических обследований и мониторинга электротехнического оборудования в целом и маслонаполненного трансформаторного оборудования в частности как неотъемлемого элемента любой электротехнической системы.

При переходе к системе ремонтов по техническому состоянию качественно изменяются требования к системе диагностирования электрооборудования, при которой главной задачей диагностирования становится прогноз технического состояния на относительно длительный период. Решение такой задачи не является тривиальным и возможно только при комплексном подходе к совершенствованию методов, средств, алгоритмов и организационно-технических форм диагностирования.

Определение фактического состояния оборудования основано на оценке контролируемых параметров, для которых определяются тревожные и аварийные уровни сигнала. Сравнение действующих значений с установленными уровнями тревоги и предыдущими замерами дает оценку изменения состояния.

Основной задачей диагностического контроля является предотвращение аварийного отказа оборудования, определение его состояния и прогнозирование остаточного ресурса как одного из главных показателей надежности.

Одним из основных направлений в вопросах диагностики электрооборудования является диагностика силовых трансформаторов. Вызвано это обстоятельство высокой стоимостью трансформатора, его значимостью в вопросах надежности электроснабжения потребителей, сложностью определения повреждений и дефектов на ранней стадии развития.

Особый интерес в вопросах диагностирования проявляется к бесконтактным методам определения сроков безаварийной эксплуатации т.к. они позволяют выполнять контроль на работающем оборудовании. К таким методам относятся: хроматографический анализ растворенных в масле газов, акустический контроль, тепловизионное диагностирование и др.

Применение тепловизионной диагностики основано на том, что некоторые виды дефектов высоковольтного оборудования вызывают изменение температуры дефектных элементов и, как следствие, изменение интенсивности инфракрасного излучения, которое может быть зарегистрировано тепловизион-ными приборами.

Проведенный анализ научно-технической отечественной и зарубежной литературы показал, что работ, непосредственно посвященных мониторингу тепловых полей сложных электротехнических элементов и устройств и идентификации на их основе внутренних развивающихся дефектов, имеется небольшое количество. Не исследованы процессы распределения тепловых потоков с учетом динамики хладагента, не определены оценочные показатели определения внутренней абсолютной температуры, не рассмотрены вопросы определения и идентификации внутренних повреждений трансформаторного оборудования.

Проведенные ранее исследования создали предпосылки для решения в полном объеме задач идентификации внутренних нарушений, влияющих на тепловой режим работы оборудования, и определения его месторасположения и абсолютной температуры дефекта.

Поэтому теоретическое обобщение процессов теплового распределения с учетом динамического движения масла в трансформаторах и идентификация на этой основе его повреждений (состояния работоспособности) является актуальной научной задачей.

Основания для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена в Башкирском государственном аграрном университете по плану научно-исследовательских работ.

Целью выполнения диссертационной работы является оценка работоспособности и качества функционирования высоковольтного маслонаполнен-ного трансформаторного оборудования с возможными повреждениями и идентификация внутренних дефектов по внешнему температурному полю.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) разработка математической модели распределения внутреннего теплового поля трансформатора с учетом движения трансформаторного масла и собственных источников тепловой энергии для идентификации внутреннего повреждения по поверхностному тепловому полю силового трансформатора;

2) оптимизация системы диагностирования трансформаторного оборудования и разработка алгоритма расчета теплового износа изоляционных материалов для более эффективной и безопасной эксплуатации электротехнических комплексов и разработка статистической модели определения вероятностей нахождения трансформатора в различных эксплуатационных и ремонтных состояниях с применением современных методов компьютерного моделирования;

3) разработка методики проведения мониторинга электротехнического оборудования по тепловому состоянию, расширяющей возможность выявления и идентификации повреждений электротехнического оборудования, внедрение теоретических исследований в производственный процесс оценки функционирования электротехнического оборудования, в том числе после выработки ими положенного ресурса;

4) создание программного обеспечения просмотра и анализа радиометрических термограмм для оперативного принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации работающего маслонаполненного оборудования.

Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением методов дифференциального и интегрального исчисления, конечных элементов, Шеннона - Фано. В работе использовались пакет визуального много - физического моделирования COMSOL FEMLAB 2.3, интегрированный в математическую систему MATLAB, для моделирования тепловых процессов во внутренней части бака трансформатора и расчета превышений температур на его поверхности, и математическая среда MathCAD.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель распределения теплового поля внутри трансформатора с учетом дефектов, движения хладагента, собственных источников тепловой энергии, позволяющая выявлять влияние внутренних повреждений на внешнее температурное распределение и установить влияние места расположения и вида дефекта на общее распределение теплового поля трансформатора.

2. Система комплексного диагностирования трансформаторного оборудования и алгоритм расчета теплового износа изоляционных материалов, применяемых в конструкции трансформатора.

3. Методика проведения тепловизионного контроля электротехнического оборудования, оценочные показатели выявления и идентификации повреждений трансформаторного оборудования.

4. Результаты экспериментальных исследований, включающие в себя:

• подтверждение адекватности математической модели и достоверности полученных теоретических данных;

• внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований распределения температурных полей на поверхности бака от внутренних повреждений в практическую деятельность диагностических служб.

5. Программное обеспечение просмотра и анализа радиометрических термограмм для оперативного принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации.

Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы:

1. Классифицированы повреждения маслонаполненного трансформаторного оборудования с выделением дефектов, являющихся источниками дополнительной тепловой энергии.

2. Разработана математическая модель распределения теплового поля внутри трансформатора с учетом развивающихся дефектов, движения хладагента, собственных источников тепловой энергии.

3. Предложен метод определения внутренних превышений температуры и глубины залегания повреждения по поверхностному распределению теплового поля, что позволило расширить возможности оценки дефектности и ресурса изоляционных материалов трансформатора по термограммам.

Практическую ценность имеют:

1. Методика определения превышений температур внутренних дефектов на поверхностное распределение теплового поля, позволяющая определять внутренние повреждения и идентифицировать дефекты по поверхностному температурному полю электротехнического оборудования.

2. Результаты исследований, включающие:

• оценочные показатели определения абсолютной температуры внутреннего дефекта обмоток и магнитной системы, необходимые для выявления и идентификации места возможного повреждения; • поправочную прямую локализации дефекта и зоны чувствительности области, в которой возможно наличие дефектных узлов.

3. Алгоритм комплексной диагностики высоковольтного электротехнического оборудования по критериям трудозатраты и стоимость.

4. Программное обеспечение, позволяющее просматривать и анализировать полученные термографические изображения.

Внедрение результатов работы. Научные результаты работы и разработанный программный продукт внедрены в ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов», в практическую деятельность лаборатории технической диагностики ООО «Энерготехсервис», а также в учебный процесс БГАУ.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях: «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Computer-based conference) - 2002 г., 2003 г. (г. Н. Новгород), на VII Международном симпозиуме "Электротехника 2010" - 2003 г. (г. Москва), на девятой ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2003 г. (г. Москва), на Международной конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы ЕЕС-CES-2003» - 2003 г. (г. Екатеринбург), на межвузовской студенческой научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» - 2003 г. (г. Воронеж), на Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Аграрная наука в XXI веке» - 2003 г. (г.Уфа), на Всероссийской молодежной научно-технической конференция с международным участием «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» - 2003 г. (г. Уфа), на десятой ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - 2004 г. (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 10 статей, одно свидетельство о регистрации в отраслевом фонде алгоритмов и программ Министерства образования РФ и информационно-библиотечном фонде РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 107 наименований и 2-х приложений. Основная часть диссертации изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 16 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

1. Исследована зависимость критерия выявляемое™ дефектов от соотношений размеров пятна сканирования и величины температуры дефекта магнитной системы. Установлено минимальное значение температуры 200 °С с глубиной погружения дефекта 0,5 м, обеспечивающее возможность выявления и идентификации повреждения с помощью активного тепловизионного контроля.

2. Выполненные математические исследования распределения тепловых полей с возможными дефектами обмоток позволили определить границы черной» зоны, где идентификация места повреждения невозможна. Получена поправочная прямая локализации места дефекта необходимая для учета динамики хладагента на отображение теплового поля на поверхности бака трансформатора.

3. На основе выполненных математических исследований расширены возможности проведения тепловизионного контроля применительно к трансформаторному оборудованию и предложены рекомендации для внесения в нормативную документацию по оценке его технического состояния.

4. Проведено сравнение практических результатов, полученных тепло-визионным методом на рекомендуемом расстоянии 1,5-2,5 м с земли от обследуемого оборудования с расчетными характеристиками, полученными с помощью математической модели, установлено, что в результате компьютерного анализа обеспечивается 29 % точность определения внутреннего повреждения, а сама математическая модель является адекватной.

5. Разработан программный продукт, позволяющий проводить просмотр и анализ термографических изображений, полученных в процессе выполнения диагностирования трансформаторного оборудования находящегося под напряжением.

151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты.

Представлена классификация основных дефектов трансформаторов по узлам, рассмотрены причины их возникновений и характер развития повреждений приводящих к различным состояниям оборудования.

Проанализированы системы диагностики отказов, методы мониторинга оборудования для которых определен вид диагностической ценности. Приведены некоторые модели развивающихся дефектов предназначенных для выявления связи между состояниями их элементов и диагностическими признаками этих состояний. Анализ изменения состояний элементов трансформатора позволяет: выявить «критические» состояния элементов; достичь требуемой для диагностики степени детализации состояний; определить оптимальное время вывода в ремонт; определить мероприятия, предупреждающие ухудшение состояния элементов трансформатора.

Рассмотрены системы непрерывного контроля состояния электротехнического оборудования, охватывающие параметры, изменение которых сигнализирует о развитии дефектов с учетом режимов работы. Показаны контролируемые параметры маслонаполненного оборудования в системе мониторинга существующих диагностических систем. Критический подход автоматизированных систем определил, что не по всем признакам проводится количественный анализ, позволяющий полнее оценить общее состояние трансформатора и прогнозировать процесс его ухудшения.

Рассмотрена проблема создания тепловых моделей, расчета и анализа температурных поверхностных распределений с влиянием на них внутренних дефектов с собственными превышениями температур, учетом динамического движения хладагента и позволяющие строить уточненные схемы замещения и выявить наиболее значимые виды нагрева и теплопередачи, свойственные силовым трансформаторам.

Выявлено, что для анализа тепловых процессов необходимо применять численные методы расчета, а именно метод конечных элементов, позволяющий построить картину внутреннего теплового поля трансформаторов с учетом всех видов нагрева и совместного действия теплопроводности и конвективного теплообмена.

В результате исследования физических процессов, проходивших в баке силового трансформатора и на его внешней стороне, и используя уравнения теплопроводности, уравнения движения и неразрывности жидкости была разработана и исследована математическая модель поверхностных температурных полей бака трансформатора, а именно:

- определена связь абсолютной температуры внутреннего дефекта, размещенного на фиксированной глубине с превышением температуры пятна на поверхности бака трансформатора;

- определена связь превышения температуры пятна на поверхности бака трансформатора с абсолютной температурой дефекта, размещенного на разных глубинах погружения в баке трансформатора;

- получены рекомендации по выявлению и идентификации внутренних повреждений маслонаполненного электротехнического оборудования.

В результате применения современных компьютерных технологий получены графические зависимости, позволившие выявить влияние внутренних повреждений на внешнее температурное распределение и установить, что минимальное значение температуры 200 °С с глубиной дефекта 0,5 м обеспечивает возможность выявления и идентификации повреждений магнитной системы и 150 °С с общей глубиной 0,4 м - высоковольтных обмоток с помощью активного тепловизионного контроля. Часть представленных характеристик позволяет сделать выводы по выявлению и идентификации внутренних дефектов, расположенных в нижней части бака силового трансформатора. При наличии дефекта на глубине менее 0,4 jm от вертикальной поверхности трансформатора возможность его выявления появляется тогда, когда температурный потенциал источника более 250 °С.

Выявлено, что теплопередача от обмотки в масло происходит в основном за счет конвекции, а перепад температуры составляет = 20 - 30 % по высоте обмотки от общего превышения температуры обмотки над температурой воздуха. Теплопередача от масла к стенке бака происходит также за счет конвекции и падение температуры в стенке бака не превышает 2 - 3 °С. От стенок бака в окружающую среду приходится 60 - 70 % общего перепада температуры проходящая за счет конвекции и излучения.

Предложена оптимальная схема комплексного диагностирования трансформаторного оборудования оптимизированного по критериям трудозатраты и стоимость проведения испытаний, алгоритм позволяющий оценить, износ изоляционных материалов от действия внутренних источников теплового потока, что дает возможность оперативного проведения мероприятий по предотвращению возникновения дефектов носящий скрытый характер и установить причину их возникновения.

Рассчитаны вероятности состояний трансформатора. Во время функционирования трансформатора обеспечивается стационарный коэффициент готовности Кг = 0,484. При этом, через Г = 10000 ч , следует проводить полное восстановление (регенерацию) трансформатора с продолжительностью работ t = 2280 ч. Рассчитанная эффективность системы технического обслуживания определяется функционалом, величина которого равна J = 0,499.

Путём изменения показателей надёжности трансформатора и, в частности, показателей его ремонтопригодности (которые зависят и от системы технического обслуживания) следует добиваться минимизации функционала эффективности системы технического обслуживания.

На основе выполненных математических исследований расширены возможности проведения тепловизионного контроля применительно к трансформаторному оборудованию, предложены:

- рекомендации для внесения в нормативную документацию по оценке его технического состояния;

- оценочные показатели выявления и идентификации мест повреждений трансформаторного оборудования по термографическим изображениям;

- метод определения внутренних превышений температуры и глубины залегания повреждения по поверхностному распределению теплового поля, что позволило расширить возможности оценки дефектности и ресурса изоляционных материалов трансформатора.

Исследована зависимость критерия выявляемости дефектов от соотношений размеров пятна сканирования и величины температуры дефекта магнитной системы. Установлено минимальное значение температуры 200 °С с глубиной погружения дефекта 0,5 м, обеспечивающее возможность выявления и идентификации повреждения с помощью активного тепловизионного контроля.

Выполненные математические исследования распределения тепловых полей с возможными дефектами обмоток позволили определить границы «черной» зоны, где идентификация места повреждения невозможна. Получена поправочная прямая локализации места дефекта необходимая для учета динамики хладагента на отображение теплового поля на поверхности бака трансформатора.

Адекватность математической модели и достоверность теоретических и расчетных данных проверялось на основании сравнения практических результатов фиксированных с помощью тепловизионной камеры AG-470 и термометра ТТ №92887921*4 с результатами расчетов установлено, что зависимости снятые тепловизионным методом на рекомендуемом расстоянии 1,5-2,5 м с земли от обследуемого оборудования и характеристики, снятые термометром достоверны и отличаются не более чем на 29 % на границе переключение апертуры, а математическая модель адекватна реальным процессам.

Научные результаты работы в виде рекомендаций к методике тепловизи-онного контроля и разработанный автором программный продукт анализа радиометрических термограмм для оперативного принятия решения о дальнейшей эксплуатации, внедрены в производство ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» а также в практическую деятельность лаборатории технической диагностики ООО «Энерготехсервис». Реализация результатов работы подтверждены соответствующими актами.

156

1. Аракелян В.Г. Оперативная диагностика состояния элегазового оборудования по физико-химическим показателям // Электротехника.- 2002-№3.-С. 56-65.

2. Ванин Б.Н., Львов Ю.Н., Неклепаев Б.Н. и др. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в эксплуатации // Электрические станции. 2001. - №9. - С. 53-58.

3. ГОСТ 11677 85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. Издательство стандартов, 1986.

4. Алексеев Б.А. Система непрерывного контроля состояния крупных силовых трансформаторов // Электрические станции. 2000. -№8. - С. 62 - 71.

5. Виноградова JI.B., Игнатьев Е.Б. и др. Модели развивающихся дефектов силовых трансформаторов для компьютерной диагностики // Известия ВУЗов. Электромеханика. 1997- №1-2 - С. 3-5.

6. Засыпкин А.С., Caifyic Е.И. Выявление места вероятного повреждения и управление системой охлаждения силовых трансформаторов на основе тепловой модели // Известия ВУЗов. Электромеханика. 1997.- №1-2- С 64 -65.

7. Лебедева Н.А., Лукин И.Н. и др. Система непрерывного контроля и диагностики силового и вспомогательного оборудования подстанции «Выборгская» // Электротехника. 2001. -№9. - С. 53 - 55.

8. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1992.

9. Коллакот Р. Диагностики повреждений: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. -512с.

10. Потребич А.А. , Кузнецов В.П. и др. Автоматизированная система для оценки технического состояния электрооборудования // Электрические станции. -2001.- №4. С. 35 - 37.

11. Потребич А.А. , Кузнецов В.П., Жданов B.C., Фоменко П.И. Об определении технического состояния оборудования электрических сетей энергосистем // Электрические станции. -2001.- №3. С. 47 — 50.

12. Partial discharge automatic monitor for oil-filled transformer / H. Kawada, M. Honda, T. Inoue, T. Amemjya. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1984, Vol. PAS - 103.

13. Horrold R.T. Acoustic waveguides for sensing and locating electrical discharges within high voltage power transformers and other apparatus. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1979. Vol. PAS - 98, №2.

14. Praff F.C. Diagnostic methods for transformer in service. Доклад 12-06 на сессии СИРГЭ 1986.

15. MeNutt WJ. Insulation thermal life considerations for transformer joading guides. Transactions on Power delivery, 1992, Vol. 7, №1.

16. Турин B.B., Соколов В.В. и др. Диагностика автотрансформатора в эксплуатации методом измерения и локации частичных разрядов // Электрические станции. 2001. - №3.

17. Глухое О.А. Оценка высоковольтной изоляции по электромагнитному излучению частичных разрядов в эксплуатационных условиях // Электротехника 2001.- №4- С. 52 - 57.

18. Kendree F.Mc. Diagnosis of Transformer Coil Looseness by Vibration Measurement. Conf.: Eng. Environment. Nouse Control. New-York. 1989, Vol. 2, p. 1141-1146.

19. Брынский Е.А., Кичаев В.В. и др. Автоматизированная система технологического контроля и диагностики электрогенераторов. // Электрические станции 2000 - №6 — С. 53 - 63.

20. Константинов А.Г., Осотов В.Н., Осотов А.В., Тепловизионный контроль высоковольтных вентильных разрядников // Электрические станции-1998.-№12.-С. 43-46.

21. Константинов А.Г., Осотов В.Н., Комаров В.И. О контроле состояния маслонаполненных вводов под рабочим напряжением // Электрические станции.- 1998 №7- С. 64 - 68.

22. Хренников А.Ю., Еганов А.Ф., Курылев В.Б., Смолин А.Ю., Щербаков В.В., Языков С.А. Тепловизионный контроль генераторов и импульсное дефектографирование силовых трансформаторов // Электрические станции.-2001.-№8,-С. 48-52.

23. Аликин С.В., Дробышевский А.А., Левицкая Е.И. Филатова М.И. Диагностика обмоток силовых трансформаторов методом низковольтных импульсов // Электричество 1998 - №5- С. 30 -35.

24. Шинкаренко Г.В. Использование рабочего напряжения для измерения диэлектрических характеристик трансформаторов тока и вводов // Электрические станции 2000 - №3- С. 58 - 64.

25. Вдовико ЯП., Овсянников А.Г. Поспелов А.И. Диагностика электрической изоляции высоковольтного оборудования под рабочим напряжением // Электричество 1998 - №5 - С. 16 -19.

26. Th. Strehl, Е. Lemke, Н. Elze: On-Line PD Measurement, Diagnostic Tools and Monitoring Strategy for Generators and Power Transformers. Workshop 2001,

27. Alexandria, Virginia, December 3-4, 2001.

28. Попов Г. В. Игнатьев Е. Б. О совершенствовании технологий диагностирования маслонаполненного электротехнического оборудования Электронный ресурс. // http://www.transform.ru/usege/ss/bjd/ol/oI.html

29. Давиденко И.ВГолубев В.П., Комаров В.И., Осотов В.Н., Туркевич С.В. Система диагностики маслонаполненного оборудования Электронный ресурс. // http://www.transform.ru/usege/ss/davidenko/davidenko.html

30. Попов Г.В., Ватлецов А.В., Аль-Хамри С.С. Экспертная поддержка при 1 диагностике состояния силовых трансформаторов Электронный ресурс. //http://www.transfonn.ru/usege/ss/bjd/expert0/o20support/expert%20support.html

31. Brian Sparling Managing and Extending the Life of Transformers Электронный ресурс. // http://www.electricityforum.com/et/febmarOO/trans.html

32. Журавлев A.H., Попов Г.В. Технология тепловизионного контроля в диагностике силовых трансформаторов Электронный ресурс. // http://www.transform.m/transform/usege/ss/bjd/tehnteplcontr/tehnteplcont^

33. Алексеев Б.А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001.

34. Системы диагностирования высоковольтного маслонаполненного силового электрооборудования: Учебное пособие / И.В. Давиденко, В.Н.

35. Осотов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 117 с.

36. Костюкова Т.П., Семенов В.В. Анализ состояния мониторинга высоковольтного маслонаполненного оборудования // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Сборник трудов. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2002. - С. 48 - 52.

37. Диагностика и мониторинг основа обслуживания высоковольтного маслонаполненного оборудования / Т.П. Костюкова, В.В. Семенов.; Башкирский госуд. аграрный ун.- т. - Уфа, 2003. - 33 с. Деп. в ВИНИТИ №334 -В2003.

38. Семенов В.В. Диагностика технического состояния электрооборудования 6 1150 кВ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Материалы девятой Междунар. науч. - техн. конф., Т.З. - Москва: МЭИ, 2003.-С. 317-318.

39. Семенов В.В., Нургалеев А.Н. Исследования тепловых полей энергетического маслонаполненного оборудования Электронный ресурс. // http://dni.sstu.ru/work/konk2003 .nsf

40. Семенов В.В. Диагностирование маслонаполненного оборудования по внешнему тепловому полю // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Материалы десятой Междунар. науч. техн. конф., Т.З. - Москва: МЭИ, 2004. -С. 289.

41. Семенов В.В. TermoScanner программа анализа и просмотра термограмм // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3173. Выдано 04.03.2004 Отраслевым фондом алгоритмов и программ.

42. Костюкова Т.П., Семенов В.В. Диагностика электротехнического маслонаполненного оборудования в эксплуатации на основе тепловизионного метода контроля // ЭЛЕКТРО. 2004. №3. - С. 30 - 32.

43. Костюкова Т.П., Семенов В.В. Исследование распределения теплового поля от возможных повреждений силовых трансформаторов // Труды5.й Междунар. науч. техн. конф., Часть 1. СПб.: Изд-во «Нестор», 2004. - С. 117-120.

44. Семенов В.В. Диагностика и мониторинг основа обслуживания высоковольтного электротехнического оборудования // Сборник докладов участников слета молодых энергетиков Башкортостана, Уфа.: Изд-во «Скиф», 2004.-С. 50-55.

45. Дульнев Г.Н. и Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Учебное пособие для студентов высших технич. заведений. «Энергия», 1971.-248 с.

46. Дульнев Г.Н. и др. Методы расчета теплового режима приборов / Т.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

47. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов Л., «Энергия», 1970.

48. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С "Теплопередача", Москва , Энергоиздат , 1981.

49. Kreif F., "Principles of Heat Transfer", International Textbook Co., Scranton, Pennsylvania, 2nd Printing, 1959, Page 120, Example 4-1.

50. Schneider P.J., "Conduction Heat Transfer", Addison-Wesley Publishing Co., Inc, Reading, Mass., 2nd Printing, 1957, Page 261, Example 10-7.

51. Пошехонов П.В. Тепловой расчет электронных приборов:Учеб. Пособие для вузов по спец. «Электрон, приборы». / П.В. Пошехонов, Э.И. Соколовский. -М.: «Высш. школа». 1977 С. 156 с.

52. Сипайлов Г.А. и др. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах: Учеб. Для вузов по спец. «Электромеханика» / Г.А. Сипайлов, Д.И. Санников, В.А. Жадан. М.: Высш. шк., 1989.-239 с.

53. Иванов Смоленский А.В. Электрические машины. Учебник для вузов - М.: Энергия, 1980. - 928 с.

54. Ларионов В.П. Техника высоких напряжений: (Изоляция иперенапряжения в электрических установках). / В.П. Ларионов, В.В, Базуткин, Ю.Г. Сергеев; Под ред. В.П. Ларионова. М.: Энергоиздат, 1982. - 296 с.

55. Китаев В.Е. Трансформаторы: Учеб. пособие для проф. техн. Учеб. заведений и подготовки рабочих на производстве. Изд. 3-е, испр. М., «Высшая школа», 1974. - 207 с.

56. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. -5-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 с.

57. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галёркина: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 352 с.

58. Крылов О.В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах: Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2002. -104 с.

59. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн. 1. Перевод с франц./ Шепен П., Гардан И. и др.- М.: Мир, 1988. 204 с.

60. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн. 2. Перевод с франц./ Жермен -Лакур П., Жорж П. Л., Пистр Ф., Безье П.- М.: Мир, 1989. 264 с.

61. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытания электрооборудования. М.: ЭНАС, 1998.

62. Лизунов С.Д., Лоханин А.К Проблема современного трансформаторостроения в России. Электричество, 2000, №8.

63. Левицкая Е.И., Лурье А.И., Панибратец А.Н. Проблема электродинамической стойкости трансформаторов при коротких замыканиях. -Электротехника, 2001, №9.

64. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики: (Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства) / Под ред. П.П. Пархоменко. М.: Энергия, 1981. - 320 с.

65. Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС: Учеб. пособие для теплоэнергетических и энергомашиностроительных вузов / Г.П. Гладышев, В.З. Гуревич и др.; Под ред. А.И. Андрющенко. М.: Высш. шк., 1991.-303 с.

66. Надежность и эффективность в технике: Справочник. В Ют. / Ред. совет: B.C. Авдуевский (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1987. - (В пер.). Т.9. Техническая диагностика / Под общ. ред. В.В. Клюева, П.П. Пархоменко. -352 с.

67. Надежность систем энергетики и их оборудования / Под общей редакцией Ю.Н. Руденко: В 4-х т. Т.1: Справочник по общим моделям анализа и синтеза надежности систем энергетики / Под ред. Ю.Н. Руденко. М.: Энергоатомиздат, 1994. - 480 с.

68. Галушко А.И., Максимова И.С., Осноч Р.Г., Хазановский П.М. Надежность изоляции электрических машин / А.И. Галушко, И.С. Максимова, Р.Г. Осноч, П.М. Хазановский. -М.: Энергия, 1979. 175 с.

69. ГОСТ 13377 75 Надежность в технике. Термины и определения.

70. Кутушин В.Г. Надежность энергетических систем: 1984. 256 с.

71. S3. Попов Г.В., Игнатьев Е.Б. О совершенствовании технологий диагностирования маслонаполненного электротехнического оборудования. -Новое в российской энергетике, 2001, №7.

72. Михайлов Ю.Б. Математические основы повышения точности прогнозирования: 2000. 206. с

73. Костюкова Т.П., Семенов В. В. Анализ видов, последствий и критических отказов силового энергетического оборудования. Методы обеспечения эксплуатационной безопасности // VII симпозиум «Электротехника 2010»: Сборник научных трудов. М, 2003. - С. 69 - 72.

74. Глазунов Л.П., Смирнов А.Н. Проектирование технических систем диагностирования. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд - ние, 1982. - 168 с.

75. Прохоренко В.А. Смирнов А.Н. Прогнозирование качества систем. -Минск: Наука и техника, 1976.

76. Смирнов А.Н. Определение времени начала массовых отказов схем на этапе проектирования. В кн.: Надежность управляющих вычислительных систем, ч. II. - Киев: НТО Приборпром, 1970.

77. Смирнов А.Н. Сечко Г.В. Определение времени сохранения работоспособности устройств на этапе их проектирования. Л. Известия ЛЭТИ, вып. 118,ч. II. 1972.

78. Смирнов А.Н. Сечко Г.В. Аналитическое прогнозирование времени сохранения работоспособности технических объектов. Деп. ВИНИТИ №2590 - 76. Каталог «Депонированные рукописи», 1977, №8.

79. Велигурский Г.А., Гуринович А.И., Феллер М.Ш. Статистическое моделирование на физических моделях схем автоматики. Минск: Наука и техника, 1978.

80. Гаскаров Д.В., Голинкевич Т.А., Мозгалевский А.В. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1974.

81. Александровская Л.Н., Афанасьев А.П., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: Учебник. — М.: Логос., 2001.-208.

82. Калявин В.П., Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика электроустановок: Учебное пособие. / Map. гос. ун-т. Йошкар-Ола. — 2000. -347 с.

83. Гаспер Б.С., Липатов И.Н. Решение задач по курсу «Прикладнаятеория надежности» (учебное пособие). Электронный ресурс. http://www.asu.pstu.ac.ru/book/reliability

84. Рыбалко В.В. Оценка качества системы технического обслуживания энергетических объектов / Exponenta. Pro №3. 2003. С. 58 - 61.

85. Вопросы математической теории надежности / Барзилович Е. Ю., Беляев Ю.К., Каштанов В.А., и др.; Под ред. Гнеденко Б.В. М.: Радио и связь, 1983.- 184 с.

86. Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем: Учебное пособие. Высш. школа, 1982. - 231 с.

87. Байхелып Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход: пер. с нем. М.: Радио и связь, 1982. - 231 с.

88. Агамалов О.И. Оценка технического состояния электрооборудования в реальном масштабе времени методом нейро-нечеткой идентификации / Exponenta. Pro №1. 2003. С. 36 - 44.

89. Прогнозирование состояния технических систем О.В. Абрамов, А.Н. Розенбаум. М.: Наука, 1990. С. 126.

90. Семенов В.В. Экспертная поддержка процессов диагностики силовых трансформаторов // Аграрная наука в XXI веке: Материалы республик, науч.- практ. конф. Уфа: Башкирский гос. аграрный ун.- т, 2003. - С. 283 -285.

91. Бажанов С.А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2000.

92. Малое А.В., Снетков А.Ю. Тепловизионное обследование силовых трансформаторов // Энергетик. 2000. - № 2. - С. 34 - 35.

93. Джонсон Р., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир, 1981. - 679 с.106 .Боровиков В. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001. - 656 с.

94. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: «Энергия», 1975. - 185 с.