автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование тепловых процессов в трансформаторах для погружных электроцентробежных насосов нефтедобычи

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижневартовский государственный университет» (НвГУ), ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет (ОмГТУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сушков Валерий Валентинович, специальность 05.09.01 доктор технических наук, профессор Ковалев Владимир Захарович, специальность 05.09.03

доктор технических наук, профессор Харламов Виктор Васильевич

Профессор кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения»

кандидат технических наук Никишкин Алексей Сергеевич

Декан Омского института водного транспорта (Филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ»

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 года в 12:00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.178.03 при ОмГТУ по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, корп. 6, ауд. 340. Тел/факс: +7(3812)65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ по адресу: г. Омск, проспект Мира, 11.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, диссертационный совет.

Автореферат разослан 22 ноября 2013 года

Ученый секретарь . /

Ведущая организация:

диссертационного совета

Р. Н. Хамитов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основным направлением хозяйственной деятельности Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (ХМАО-Югра) является нефтедобыча. Большая часть объемов извлекаемой пластовой жидкости обеспечивается механизированными способами, при этом наиболее эффективны газлифтный и посредством установок электрических центробежных насосов (УЭЦН). Ряд преимуществ УЭЦН (возможность гибкого подбора параметров установки под скважину, автоматизация управления установкой и др.), наделили данный способ добычи большой популярностью для нефтяных компаний Югры.

Масляные трансформаторы для УЭЦН (ТМГТН) являясь одним из основных элементов электротехнического комплекса, обеспечивающего подвод и преобразование электрической энергии к УЭЦН, во многом определяют надежность технологической системы в целом. Отказ ТМПН влечет за собой огромные издержки в виде объемов недобытой нефти, затрат на восстановление технологического процесса и ремонт оборудования. По мнению специалистов эксплуатирующих организаций, одной из причин отказов трансформаторов ТМПН вследствие дефектов изоляции обмоток являются перегревы. Большая численность в общем парке трансформаторного оборудования НГДП (53%), отсутствие резервирования и тяжелый режим работы, способствующий ускоренному развитию дефектов, актуализируют разработку прогрессивных методов исследования, диагностики и прогнозирования тепловых состояний трансформаторов ТМПН.

Существенный вклад в теорию исследования тепловых процессов в электрических машинах и разработку средств диагностики и прогнозирования состояний силовых масляных трансформаторов внесли: В.В. Боднар, Е.Ю. Комков, A.A. Лыков, JI. Киш, Э.И. Гуревич, Ю.Л. Рыбин, А.О. Валуйских, И.Н. Дулькин, М.Г. Пирогов, А.И. Тихонов, В.В. Щербатов, В.А. Жадан, М.Е. Алпатов, A.A. Голованов, Б.А. Алексеев, В.А. Русов, 10.А. Хренников, Ю.М. Голоднов, И.В. Давиденко, Г.В. Попов, Аль Акопян, Д.А. Климов, Ю.Д. Минченко, Е.Ю. Комков, А.Н. Журавлев, Е.И. Гольдштейн и другие отечественные и зарубежные ученые.

Цель работы — разработка методов исследования, диагностирования и прогнозирования тепловых процессов в трансформаторах для установок электрических центробежных насосов нефтедобычи с целью повышения их надежности.

Задачи исследования

1. Провести анализ и классификацию дефектов, причин их возникновения в трансформаторах ТМПН, известных подходов к диагностированию тепловых состояний силовых трансформаторов.

2. Разработать методику оценки факторов сети, оказывающих влияние на тепловые процессы в ТМПН, формализовать физические зависимости мощностей источников тепловой энергии от выявленных факторов, н

моделирования, полученных при помощи разработанной модели с результатами расчетов по методике стандарта нагрузки масляных трансформаторов (расхождение 8%); с результатами измерений температур обмоток и ВСМ трансформатора в условиях высоковольтной лаборатории производства «Русский трансформатор» (расхождение 6% - обмотки, 26% - ВСМ); с результатами измерений температур ВСМ трансформаторов ТМПН, эксплуатирующихся^ скважинах ООО «3МБ» (9,8-18%). Исследования результатов диссертационной работы подтверждают их достоверность. Для достижения более высокой точности требуется глубокое исследование вопроса идентификации параметров.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных в диссертации исследований по расчету температур и потерь электрической энергии в трансформаторах ТМПН с учетом влияния факторов сети используются в ОАО «Варьеганнефть», г. Радужный; производстве «Русский трансформатор», г. Самара; разработанные математические модели, алгоритмы, программа применяются в научно-исследовательской работе и учебном процессе НвГУ при подготовке бакалавров и магистров кафедры энергетики.

Личный вклад соискателя. Постановка задач исследования, определение путей их решения, разработка математических моделей, алгоритмов, методик, анализ, обобщение, проверка достоверности исследований, полученные научные результаты и выводы принадлежат автору.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэлектроэнергетике и теплоэлектротехнологиях», Омск, 2010; конференции Международного 1Т-Форума, Ханты-Мансийск, 2010; VII Всероссийской научно-технической конференции, Тула, 2010; второй региональной научно-технической конференции, Ханты-Мансийск, 2011; Региональной методической семинаре-конференции, Нижневартовск, 2012; II международной научно-технической конференции, Сургут, 2012; II всероссийской научно-практической конференции, Нижневартовск, 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 работ, из них 4 статьи в изданиях рекомендованных ВАК, 1 патент на полезную модель, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 названий, содержит 138 стр. основного текста, 33 рис., 6 табл., 5 прил. на 23 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность, сформулирована цель и задачи исследования, отражена структура диссертации, охарактеризована научная новизна и практическая ценность результатов исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние парка трансформаторного оборудования нефтегазодобывающих предприятий, произведен анализ распределения силовых трансформаторов типового НГДП по классам напряжений. В результате исследования выявлено, что размер парка в

целью повышения точности моделирования тепловых процессов СТ для режимов несимметрии напряжения по нулевой последовательности на основании теории электротепловых аналогий была разработана четырехмассовая планарная тепловая модель. На рисунке 5 представим тепловую четырехмассовую схему замещения ТМПН.

Ко

- эквивалент потерь в обмотках ТМПН; - эквивалент потерь в магнитопроводе ТМПН; ГБ - эквивалент потерь в конструкционных элементах ТМПН; Яц- тепловое сопротивление «обмотка-масло»; Яс - тепловое сопротивление «магнитопровода-масло»; Я'Б - эквивалентное тепловое сопротивление «бак-масло»; -тепловое сопротивление «масло/бак-ОС»; Ев - эквивалент температуры ОС; Со - эквивалент теплоемкости обмотки; Сс - эквивалент теплоемкости магнитопровода; С'Е - эквивалент теплоемкости бака и прочих конструкционных элементов ТМПН; См - эквивалент теплоемкости масла.

Рисунок 5-Тепловая четырехмассоваясхема замещения трансформатора ТМПН Тепловая схема замещения на рисунке 5 описывается следующей системой дифференцальных уравнений:

Jn +С

^ +с(.

J,:+C,

\-<р.

<Р\~<Р4 -п

л К

<Рг-<Рл = 0

<Л К-

= п

К

-V, ! Ч>1 -9,

(1)

л.

-С,

' л '

Ч>,-<Рн

= 0

«о Я,

где ф|^-ф4 - потенциалы соответствующих узлов схемы замещения, фп -потенциал источника-эквивалента температуры ОС.

На рисунке 6 представим алгоритм расчета температур по разработанной тепловой модели. Программный модуль расчета мощностей потерь и теплопроводностей алгоритмапредставляет собой подпрограмму, реализующую факторную модель (4) с надстройкой расчета основных потерь и теплопроводностей масла в зависимости от действующих температур. Расчеты эквивалентной теплопроводности масла СТ можно производить по выражению:

л'м

где Хм - коэффициент теплопроводности трансформаторного масла,§ -ускорение свободного падения; (Зм - температурный коэффициент объемного расширения масла, рм - плотность жидкости, цм - динамическая вязкость, Ь0 -характерный размер обмотки (высота), сРМ - удельная изобарная теплоемкость масла, Д1 - разность температур обмотки и жидкости. Значения динамическая вязкость и удельной изобарной теплоемкости масла, имеющие сильные

ЛилКН -0,105^

О.з

(8)

зависимости от температуры, берутся из справочных таблиц. Возможна аппроксимация зависимостей СрМ(0, Цм(0 и включение в выражение (7) функций.

Программный модуль расчета температур ТМГГН представляет подпрограмму, реализующую используемую тепловую модель.

На рисунке 7 представим результаты расчета температур уточненной модели по стандарту нагрузки силовых масляных трансформаторов (двухмассовая, по ГОСТ 14209-97) и четырехмассовой для режима, при котором значения факторов сети нулевые. Расчетный режим принят

продолжительностью 4,5

ч.,температура ОС постоянной и равной +35 "С. Для сравнения динамики температур произведена имитация допустимой

кратковременной перегрузки ТМИН на 100 % в течение 15 мин., остальное время имитируется режим с коэффициентом загрузки К=1. Для четырехмассовой модели

дополнительно задается режим 5%-го колебания нагрузки. Как видно из графиков, разработанная модель более чувствительная при

моделировании температур в динамических режимах работы трансформатора.

Рисунок 6 — Алгоритм расчета температур СТ

Модель 1 — планарная

четырехмассовая.

Модель 2 - уточненная

модель по стандарту нагрузки

силовых масляных

трансформаторов (ГОСТ

14209-97).

Твсм — температура верхних слоев масла трансформатора. Тннт — температура наиболее нагретой точки

трансформатора. Тмп - температура магнитопровода трансформатора.

1М* работы 1МПН. с

Рисунок 7 - Моделирование температур различных частей ТМПН На рисунке 8проиллюстрирована степень влияния мощности добавочных потерь в конструкционных узлах ТМПН натемпературы его различных узлов — произведено моделирование двух режимов на одной сетке графика: без учета

конструкционных потерь и с учетом конструкционных потерь для предельных значений влияющих на данные потери факторов.

Режим 1 - без учета потерь в конструкционных узлах ТМПН

Режим 2-е учетом предельных потерь в конструкционных узлах ТМПН

Твсм - температура верхних слоев масла трансформатора. Тннт — температура наиболее нагретой точки

трансформатора. Тми - температура магнитопровода трансформатора.

Рисунок 8 - Моделирование температурТМПН для различных режимов работы

Как видено из графиков, влияние мощности добавочных потерь в конструкционных узлах ТМПН для предельных значений факторов значительно и достигает 5%.

Пленарная четырехмассовая тепловая модель ТМПН не учитывает распределение тепла в пространстве, что может быть полезным при решении задач проектирования, прогнозирования остаточного ресурса и диагностирования СТ методом количественной термографии. Скорость термического износа изоляции обмоток СТ имеет нелинейную связь с температурой. При несимметричных динамических режимах работы СТ температуры обмоток могут значительно отличаться и приводить к различным скоростям термического старения изоляции. Для повышения точностирешения вышеперечисленных задач разработана пространственная многомассовая модель нестационарных процессов в ТМПН.

датчика, производит пересчет коэффициентов, уточняющих мощности добавочные потерь и записывает информацию в БЗ. После накопления необходимого объема знаний, информацию можно обобщать и переносить на серийные устройства. При этом применение датчика температуры трансформатора не требуется.

СД - система датчиков, БАЦП - блок аналого-цифрового г - - - п преобразователя,

< БГЫС ' БД - база данных, - - - -1 БРФПМ - блок расчета факторов и

параметров модели,

< БЫ ^ БРФС - блок расчета факторов сети, и _ _ _ J БРДП - блок расчета мощностей

добавочных потерь, БРАТ- блок расчета и анализа температур, БЗ - база знаний, БГИС - блок графической интерпретации сигналов, БУ — блок управления.

Рисунок 10 - Структурная схема устройства контроля температуры ТМПН

При разработке специальных трансформаторов, для которых динамические режимы работы является определяющими, оптимизационное проектирование необходимо производить с учетом такихрежимов. Для автоматизации процессов решения поверочных задач разработан блок тепловой динамики, использующий разработанные тепловые модели трансформатора. Алгоритм блока тепловой динамики системы

автоматизированного проектирования силовых трансформаторов (САПР СТ) представлен на рисунке 11.

'Подтмойрние саотв»тетби параметров треьовомиии

Вывод результатов моделирования для онолиэо/

С

1_с

Ос топав программного влака

Рисунок 1 1

- Алгоритм блока тепловой динамики САПР СТ

Для инженерныхрасчетовтепловых динамических режимов ТМПН и других силовых маслонаполненных трансформаторов разработана программа, интерфейс которой представлен на рисунке 12. Специалист, используя первичную информацию об электротехническом комплексе «СЕТЬ-ТМПН-УЭЦН», может производить расчеты возможных тепловых режимов ТМПН.

17

ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201 454989

Зябкин Александр Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРАНСФОРМАТОРАХ ДЛЯ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ НЕФТЕДОБЫЧИ

05.09.01 - «Электромеханика и электрические аппараты» 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и.системы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Сушков Валерий Валентинович Научный консультант: Доктор технических наук, профессор Ковалев Владимир Захарович

Омск-2013

Содержание

Введение 5

1 Состояние проблемы и предмет исследования................................... 12

1.1 Современное состояние парка трансформаторного оборудования нефтедобывающих предприятий.................................................... 12

1.1.1 Потребители электрической энергии на объектах нефтегазодобывающих предприятий............................................. 12

1.1.2 Трансформаторное оборудование в схемах электроснабжения потребителей НГДГТ.................................................................. 14

1.2 Классификации дефектов трансформаторного оборудования................... 18

1.2.1 Классификация дефектов по подсистемам трансформатора................. 19

1.2.2 Классификация дефектов по влиянию на контролируемые параметры.... 25

1.3 Анализ повреждаемости трансформаторов ТМПН............................ 26

1.4 Причины возникновения дефектов в трансформаторах ТМПН............... 32

1.5 Анализ и классификация известных методов и средств диагностики

силовых масляных трансформаторов............................................. 33

Основные выводы и результаты................................................... 37

2 Разработка методики многофакторного адаптивного диагностирования

и прогнозирования тепловых процессов в трансформаторах ТМПН....... 40

2.1 Разработка системно-факторного и адаптивного принципов методики многофакторного адаптивного диагностирования и прогнозирования тепловых процессов в трансформаторах ТМПН................................ 40

2.2 Разработка системно-энергетического принципа методики многофакторного адаптивного диагностирования и прогнозирования тепловых процессов в трансформаторах ТМПН................................ 45

2.3 Определение функциональных зависимостей мощностей добавочных потерь в ТМПН от факторов питающей сети.................................... 53

2.3.1 Анализ особенностей конструкций ТМПН, влияющих на их энергетические характеристики................................................... 56

2.3.2 Выявление функциональных зависимостей мощностей добавочных потерь в ТМПН от факторов питающей сети.................................... 59

2.3.3 Разработка обобщенной формулы расчета мощности добавочных потерь в ТМПН........................................................................ 64

2.4 Разработка факторной модели добавочных потерь в ТМПН и методики

оценки факторов питающей сети................................................... 65

Основные выводы и результаты................................................... 74

3 Математическое моделирование тепловых процессов в ТМПН............ 77

3.1 Подходы к математическому моделированию тепловых процессов в ТМПН..................................................................................... 77

3.2 Разработка уточненной математической модели тепловых процессов в 78

ТМПН по стандарту ГОСТ 14209-97..............................................

3.2.1 Анализ результатов расчета температур в ТМПН по уточненной модели

стандарта ГОСТ 14209-97........................................................... 83

3.3 Разработка тепловых планарных моделей ТМПН типа «цепь».............. 86

3.3.1 Цепная четырехэлементная планарная модель стационарных тепловых процессов в ТМПН.................................................................... 89

3.3.2 Цепная четырехэлементная планарная модель нестационарных тепловых процессов в ТМПН....................................................... 92

3.3.3 Анализ результатов расчета нестационарных тепловых процессов в ТМПН уточненной модели по стандарту ГОСТ 14209-97 и цепной четырехмассовой модели............................................................ 95

3.4 Разработка пространственной цепной модели нестационарных

тепловых процессов в ТМПН....................................................... 97

3.4.1 Расчет теплоэнерционных параметров элементов модели.................... 100

3.4.2 Расчет параметров теплоотдачи элементов модели «бак-окружающая среда».................................................................................... 101

3.4.3 Расчет параметров твердотельных каналов теплопередачи элементов модели................................................................................... 102

3.4.4 Расчет параметров масляных каналов теплопередачи элементов модели. 103

3.4.5 Расчет параметров двухагрегатных, двухмерных и сложной геометрической формы каналов элементов модели............................. 107

3.5 Разработка схемы замещения пространственной модели нестационарных тепловых процессов в ТМПН и ее математическое описание................................................................................ 108

3.6 Разработка алгоритма расчета тепловых процессов в трансформаторах ТМПН.................................................................................... 111

3.7 Экспериментальная проверка достоверности полученных результатов... 113 Основные выводы и результаты................................................... 116

4 Практическое применение результатов исследования тепловых процессов в силовых масляных трансформаторах.............................. 117

4.1 Мониторинг и диагностика тепловых состояний масляных трансформаторов в электрических сетях НГДП................................ 117

4.2 Разработка устройства on-line контроля и прогнозирования теплового состояния трансформаторов ТМПН............................................... 119

4.3 Автоматизированное проектирование специальных силовых трансформаторов...................................................................... 124

4.3.1 Разработка блока тепловой динамики системы автоматизированного

проектирования специальных силовых трансформаторов................... 128

4.4 Разработка программы расчетов тепловых процессов в силовых масляных трансформаторах......................................................... 131

Основные выводы и результаты................................................... 136

Заключение..................................................................................... 137

Библиографический список................................................................. 139

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1.1 Распределение силовых трансформаторов в

энергохозяйстве типового нефтегазодобывающего предприятия........... 155

Приложение 1.2 Классификация дефектов по основным системам

трансформатора......................................................................... 157

Приложение 1.3 Неисправности силовых трансформаторов НГДП........ 1^0

Приложение 1.4 Структура опросного листа, используемого при опросе

экспертов............................................................................... 161

Приложение 1.5 Распределение дефектов по частоте возникновения в различных узлах трансформатора типа ТМПН при вводе в эксплуатацию

и продолжительной работе........................................................... 164

Приложение 1.6 Анализ известных подходов к диагностированию

силовых маслонаполненных трансформаторов................................. 165

Приложение 2.1 Анализ качества электроэнергии на выходных зажимах

станций управления питающих нефтяные скважины........................... 170

Приложение 3.1 Листинг программного модуля тепловой

четырехмассовой планарной модели ТМПН..................................... 173

Приложение 3.2 Листинг программного модуля многомассовой

пространственной модели ТМПН для симметричной конструкции......... 174

Приложение 4.1 Скриншоты вкладок программы расчетов тепловых

процессов в силовых масляных трансформаторах.............................. 176

Приложение 5.1 Копии актов внедрения результатов диссертационной работы.................................................................................... 178

Введение

Актуальность темы. Основным направлением хозяйственной деятельности Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (ХМАО-Югра)

г

является нефтедобыча. Большая часть объемов извлекаемой пластовой жидкости обеспечивается механизированными способами, при этом наиболее эффективны газлифтный и посредством установок электрических центробежных насосов (УЭЦН). Ряд преимуществ УЭЦН, основные из которых: возможность гибкого подбора параметров установки под скважину и автоматизируемость, наделили данный способ большой популярностью для нефтяных компаний Югры.

Масляные трансформаторы для погружных электрических центробежных насосов (ТМПН) являясь одним из основных элементов электротехнического комплекса, обеспечивающего подвод и преобразование электрической энергии к УЭЦН, во многом определят надежность технологической системы в целом. Отказ ТМПН влечет за собой огромные издержки в виде объемов недобытой нефти, затрат на восстановление технологического процесса и ремонт оборудования. Помимо вышеуказанного, аварии маслонаполненных трансформаторов повышают пожарную, электрическую и экологическую опасность. Большая численность в общем парке трансформаторного оборудования НГДП (53%), отсутствие резервирования и тяжелый режим работы, способствующий развитию дефектов, актуализируют разработку прогрессивных методов исследования, диагностики и защиты трансформаторов ТМПН.

Цель работы - разработка методов исследования, диагностирования и прогнозирования тепловых процессов в трансформаторах для установок электрических центробежных насосов нефтедобычи в целях повышения их надежности.

Объект исследования - силовые маслонаполненные трехфазные трансформаторы для УЭЦН нефтедобычи

Предмет исследования - методы расчета температур различных узлов

трансформаторов ТМПН с учетом влияния факторов питающей сети.

Задачи исследования:

1. Провести анализ и классификацию дефектов, причин их возникновения в трансформаторах ТМПН, известных подходов к диагностированию тепловых состояний силовых трансформаторов.

2. Разработать методику оценки факторов сети, оказывающих влияние на тепловые процессы в ТМПН, формализовать физические зависимости мощностей источников тепловой энергии от выявленных факторов, на основании результатов оценки их фактических влияний, выделить наиболее значимые факторы.

3. Разработать методику многофакторного адаптивного диагностирования и прогнозирования тепловых процессов в трансформаторах ТМПН.

4. Разработать уточненную математическую модель тепловых процессов в ТМПН по стандарту нагрузки силовых масляных трансформаторов (ГОСТ 14209-97).

5. Разработать уточненную математическую модель нестационарных тепловых процессов в ТМПН с учетом влияния факторов питающей сети 0,4 кВ.

6. Разработать средство диагностирования, прогнозирования и защиты трансформаторов ТМПН не оснащенных защитой по температуре.

7. Разработать блок тепловой динамики системы автоматизированного проектирования специальных силовых масляных трансформаторов.

8. Разработать программу инженерных расчетов тепловых процессов в трансформаторах ТМПН для различных режимов работы, с учетом воздействия на них факторов питающей сети 0,4 кВ.

Вышеуказанные вопросы разбирались в работах следующих российских и

зарубежных авторов: исследование дефектов и причин их возникновения в силовых

трансформаторах: Б.В. Ванин, Г.Е. Аль Акопян, Аль-Хамри С.С., В.И. Комаров, И.В. Давиденко, A.B. Ватлецов, Гемке Р.Г. и др. [13, 30, 46, 47, 48]; исследование влияния качества электрической энергии на оборудование: А.О. Чугулев, Ю.В. Владимиров, Ю.В. Шумилина, И.В. Жежеленко, Асаад A. (Asaad А.), М. Ю. Юхименко, К.П. Путилин, Ллойд Диксон (Lloyd H. Dixon), Рэй Рэдли (Dr. Ray Ridley), В.П. Чайковский, M.B. Агунов, Л.В. Лейтес, Бернас С. (Bernas S.), Цёк 3. (Ciok Z.), и др. [49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61]; математическое моделирование тепловых процессов в электрических машинах: В.В. Боднар, Е.Ю. Комков, A.A. Лыков, Л. Киш, Э.И. Гуревич, Ю.Л. Рыбин, А.О. Валуйских, И.Н Дулькин, М.Г. Пирогов, А.И. Тихонов, В.В. Щербатов, В.А. Жадан, М.Е. Алпатов, A.A. Голованов и др. [62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 84]; разработка систем прогнозирования, защиты и диагностики силовых трансформаторов: Б.А. Алексеев, В.А. Русов, Ю.А. Хренников, Голоднов Ю.М., И.В. Давиденко, Г.В. Попов, Аль Акопян, Д.А. Климов, Ю.Д. Минченко, Е.Ю. Комков, А.Н. Журавлев, Е.И. Гольдштейн и др. [3, 4, 5, 6, 10, 14, 22, 23, 30, 33, 36, 64, 74, 83].

Методы исследования. При выполнении работы использовались: положения теорий электромагнитного поля, электрических цепей, теплопередачи, принятия решений, планирования эксперимента; методы оценки объектов по шкале порядков, электротепловых аналогий, численного решения систем алгебраических, дифференциальных и дифференциально-алгебраических уравнений и др. Математическое моделирование проводилось в программных средах Delphi, Matlab. Экспериментальная часть исследований проведена филиалом компании ОАО НК «Русснефть», ООО «3МБ», производством ЗАО «ГК «Электрощит»-ТМ Самара» «Русский трансформатор». Измерение показателей качества электрической энергии проводились комплексом Pecypc-UF2 на выходных зажимах станций управления скважин №877, №867, №554, №570 Малобалыкского нефтяного месторождения, температур трансформаторов прибором DT-8835.

Научная новизна:

- Получены распределения дефектов по частоте их возникновения в подсистемах трансформаторов ТМПН, эксплуатирующихся в НГДП ХМАО-Югры, в том числе в результате тепловой деструкции изоляции;

- Получено выражение для расчета мощности потерь ЭЭ в конструкционных узлах баковых маслонаполненных силовых трансформаторах со схемой соединения У/У-п, учитывающее влияние фактора несинусоидальности питающего напряжения; уточнено известное выражение для расчета мощности потерь ЭЭ в магнитопроводе СТ для использования ее в исследованиях потерь в специальных силовых трансформаторах, работающих при повышенной частоте и низкой синусоидальности питающего напряжения; получено обобщенное выражение для расчета добавочных потерь в силовых маслонаполненных трансформаторах, учитывающее влияние факторов сети, удобное для использования эксплуатирующими организациями при расчетах технических потерь электроэнергии в сетях;

- Разработана уточненная математическая модель тепловых процессов в ТМПН по стандарту нагрузки силовых масляных трансформаторов (ГОСТ 14209-97); разработаны четырехмассовая планарная математическая модель, многомассовая пространственная математическая модель и алгоритм расчета нестационарных тепловых процессов в ТМПН учитывающие влияние факторов сети, добавочный нагрев конструкционных узлов, зависимость теплопроводности охлаждающей жидкости от температуры;

- Разработана методика многофакторного адаптивного диагностирования и прогнозирования тепловых процессов в трансформаторах ТМПН, производящая уточнение коэффициентов диагностической модели в результате ретроспективного анализа стохастических зависимостей температуры верхних слоев масла (ВСМ) от факторов питающей сети 0,4 кВ; разработана методика оценки факторов сети,

оказывающих влияние на тепловые процессы в ТМПН, формализованы физические зависимости мощностей источников тепловой энергии от выявленных факторов, на основании результатов оценки их фактических влияний, выделены наиболее значимые факторы.

Практическая ценность:

- Разработанная математическая факторная модель расчета добавочных потерь в силовых маслонаполненных трансформаторах может быть использована при построении диагностических систем СТ;

- Разработан блок тепловой динамики, который может быть применен в системах автоматизированного проектирования специальных силовых масляных трансформаторов;

- Разработана программа инженерных расчетов тепловых процессов в трансформаторах ТМПН для различных режимов работы, с учетом воздействия на них факторов сети и окружающей среды;

- Разработанные математические модели тепловых процессов в трансформаторах ТМПН могут быть применены в качестве основы при построении систем защиты, диагностики и прогнозирования тепловых состояний силовых трансформаторов;

- Разработано средство диагностирования, прогнозирования и защиты трансформаторов ТМПН не оснащенных защитой по температуре с функцией уточнения решения на основании ретроспективного анализа стохастических зависимостей температуры ВСМ от факторов сети с учетом конструктивных особенностей объекта.

Достоверность научных исследований и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами трех экспериментальных исследований, а именно сравнением результатов моделирования, полученных при помощи разработанной модели: с результатами

расчетов по методике стандарта нагрузки масляных трансформаторов (расхождение 8%); с результатами измерений температур обмоток и ВСМ трансформатора в условиях высоковольтной лаборатории производства «Русский трансформатор» (расхождение 6% - обмотки, 26% - ВСМ); с результатами измерений температур ВСМ трансформаторов ТМПН, эксплуатирующихся на скважинах ООО «3МБ» (9,8-18%). Исследования результатов диссертационной работы подтверждают их достоверность. Для достижения более высокой точности требуется глубокое исследование вопроса идентификации параметров.

Реализация результатов работы

Результаты проведенных в диссертации исследований по расчету температур и потерь электрической энергии в трансформаторах ТМПН с учетом в