автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Определение диагностических параметров магнитной системы трансформаторов в режиме искусственного намагничивания

На правах рукописи

йЖ)

Муратаев Ибрагим Амирович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ В РЕЖИМЕ ИСКУССТВЕННОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 КОЯ ?пп,

Казань - 2009

003483656

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Козлов Владимир Константинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Голенищев-Кутузов Александр Вадимович

Защита состоится 4 декабря 2009 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01 при ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»,

по адресу: 420066, Казань, Красносельская 51, тел., факс (843)562-43-30.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государствешюго энергетического университета, с авторефератом - на сайте http://www.kgeu.ru

Автореферат разослан « 3/ » 2009г.

кандидат технических наук Зарипов Дамир Камилевич

Ведущая организация: ООО Инженерный центр "Энергопрогресс' (г. Казань)

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.082.01

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С увеличением срока службы силовых трансформаторов в энергосистеме становится актуальным вопрос их безаварийной работы. Это, в свою очередь, ставит проблему качественной диагностики для выявления возможных дефектов магнитной системы трансформатора, что важно при решении вопроса о дальнейшей эксплуатации длительно работавших трансформаторов.

Известен способ диагностики магнитной системы путем измерения потерь холостого хода при малом напряжении. Измеренные пофазно потери сравнивают между собой и с результатами предыдущих испытаний. При этом результаты измерений потерь холостого хода сильно зависят от величины остаточного намагничивания сердечника трансформатора, являющегося следствием внезапного обрыва тока при отключении трансформатора. Уровень остаточного намагничивания является случайной величиной и зависит только от фазы тока в момент отключения трансформатора.

Для получения достоверных результатов потерь в стали мапштопровод трансформатора необходимо размагнитить. Процедура размагничивания - довольно сложный и длительный процесс. Отсутствие возможности проконтролировать остаточную намагниченность сердечника не позволяет однозначно утверждать, что сердечник размагничен до нулевого значения остаточной индукции. Таким образом, измерив потери холостого хода, невозможно однозначно определить, является ли разброс значений результатом остаточного намагничивания или развивающегося дефекта.

В процессе эксплуатации трансформатора могут возникнуть дефекты, обусловленные изменением геометрии мапшгных конструкций под действием магнитного поля, которые проявляются только в рабочем режиме и исчезают со снятием магнитного поля. Выявить такие дефекты, измеряя потери холостого хода при малом напряжении, практически невозможно, так как получаемые результаты не превышают допустимые отклонения.

В связи с этим, актуальной является разработка способа диагностики магнитной системы трансформатора, основанного на искусственном намагничивании сердечника трансформатора и определении диагностических параметров по результатам измерения потерь холостого хода при малом напряжении.

Цель работы - разработка способов определения диагностических параметров магнитной системы трансформатора в режиме искусственного намагничивания.

Для реализации сформулированных целей необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать способ искусственного намагничивания магнитопровода трехфазного трансформатора во время измерения потерь холостого хода при малом напряжении.

2. Определить и обосновать диагностические параметры, измеряемые в режиме искусственного намагничивания.

3. Разработать алгоритмы проведения измерений и обработки результатов измерений для нахождения диагностических параметров.

4. Исследовать влияние дефектов на изменения диагностических параметров.

5. Создать программное обеспечение для автоматизации процесса определения диагностических параметров.

Объект исследования. Объектом исследования в представленной работе являются трансформаторы, в том числе - трехфазные силовые трансформаторы, используемые в электроэнергетике.

Методы исследования. В работе использованы методы и положения теории электрических цепей, теории электрических машин и теории обработки сигналов. Исследования проводились с применением численных методов и программ для ЭВМ, натурного эксперимента на .трансформаторах.

Научная новизна полученных результатов:

1. Разработан способ определения потерь на гистерезис и вихревые токи по результатам аппроксимации вольт-ватгных характеристик.

2. Исследовано влияние асимметрии характеристик крайних фаз трансформатора на распределение потерь холостого хода в элементах трехфазной магнитной системы в режиме намагничивания. Обнаружено, что различие потерь в крайних фазах может быть вызвано не только появлением короткозамкнутого контура в одной из фаз, но и изменением магнитного сопротивления в зоне стыков стержней и ярма.

3. Исследовано влияние габаритных размеров магнитопровода на отношение потерь холостого хода при намагничивании центрального стержня к потерям при намагничивании крайнею стержня. Выявлено, что в состоянии насыщения отношение потерь в малой степени зависит от постоянного тока намагничивания, а в основном связано с геометрическими размерами магнитной системы.

4. Исследовано влияние дефектов магнитной системы на составляющие потерь на гистерезис и вихревые токи в режиме искусственного намагничивания трансформатора. Выявлено, что соотношение составляющих потерь изменяется при образований короткозамкнутых контуров и повреждении межлистовой изоляции.

5. Исследовано влияние дефектов на гармонический состав тока холостого хода трансформатора при намагничивании сердечника . постоянным током. Обнаружено изменение мощности гармоник тока холостого хода при образовании короткозамкнутых контуров и изменении степени прессовки ярмовых балок.

Практическая ценность представляемой работы заключается в следующем:

1. Разработан способ искусственного намагничивания магнитопровода трехфазного трансформатора без применения дополнительной обмотки и вскрытия бака, позволяющий повысить чувствительность методов диагностики.

2. Предложены диагностические параметры, отражающие потери на гистерезис (А,), вихревые токи (Л2) и отношение этих потерь (Ai /Аг).

3. Предложены диагностические характеристики, отражающие зависимости потерь на гистерезис (Aí=J{IiaM)), вихревые токи и их отношения (Ai I Af -flJ^)) от величины постоянного тока намагничивания.

4. Разработано программное обеспечение для определения диагностических параметров А\ (потери на гистерезис) и Лг (потери от вихревых токов) по результатам измерения вольт-ватгных характеристик.

5. Предложена диагностическая характеристика (sfím,), отражающая зависимость мощности гармоник тока холостого хода трансформатора от величины постоянного тока намагничивания.

На защиту выносятся:

1. Способ диагностики магнитной системы трансформатора в режиме намагничивания сердечника постоянным током.

2. Методика выявления дефектов в магнитной системе трансформатора, основанная на использовании параметров, отражающих потери на гистерезис, вихревые токи и их отношение.

3. Методика выявления дефектов в магнитной системе трансформатора, основанная на использовании мощности гармонических составляющих тока холостого хода трансформатора в режиме намагничивания. Обоснованность и достоверность результатов и выводов подтверждается

использованием апробированного математического аппарата, корректностью исходных предположений и допущений, успешной реализацией рада основных положений работы в практических исследованиях на реально действующем оборудовании.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и определении путей получения их решения, в создании программного обеспечения для обработки измеренных данных, проводил все измерения, обработку и анализ экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Всероссийской научно-технический конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2007); Четырнадцатой и Пятнадцатой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008, 2009); Третьей молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008); Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК (2 в издании, рекомендованном ВАК по специальности диссертации); получено одно свидетельство на патент и одно решение о выдаче патента.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, библиографии и приложений. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 1 таблицу; библиографический список включает 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные дефекты магнитной системы и известные методы диагностики трансформаторного оборудования.

Характерные повреждения магнитной системы трансформатора - это нарушения межлистовой изоляции пластин стали и образование короткозамкнутых витков в обмотках. Также возможны скрытые дефекты, такие как образование «паразитных» контуров вокруг основного магнитного потока в результате повреждения изолирующих элементов конструкций или неправильном выполнении заземления элементов конструкции трансформатора.

Например, при нарушении целостности изолирующих подпятников между прессующим винтом и прессующим кольцом образуется «паразитный» контур, что вызывает плавление металла в месте соприкосновения прессующего вита и самой плиты. В результате оплавленный металл в виде металлических шариков по масляным циркуляционным каналам попадает в межвитковое пространство обмотки. Высокая исходная температура оплавленного металла вызывает выжигание бумажной витковой изоляции, что в свою очередь приводит к витковому замыканию обмотки. Каскадное развитие дефекта приводит к полному выходу трансформатора из строя. Такие повреждения проявляются лишь при номинальных напряжениях и имеют вялотекущее развитие, поэтому не всегда выявляются при типовых испытаниях, проводимых при пониженном напряжении.

Существующий метод измерения тока и потерь холостого хода чувствителен к повреждениям в обмотке и дефектам в магнитной системе трансформатора. Однако недостатками этого метода являются: влияние остаточного намагничивания сердечников трансформатора на результаты измерений и всего один измеряемый диагностический параметр, по которому невозможно провести однозначную идентификацию дефекта.

Во второй главе рассмотрены вопросы влияния дефектов на величины измеряемых параметров и способы повышения их информативности.

Основные потери холостого хода трансформатора представляют потери в стали магнитопровода, которые состоят из потерь на гистерезис и вихревые токи. В свою очередь, величина составляющих потерь зависит от свойств материала и общего состояния геометрии магнитопровода трансформатора. Геометрия магнитопровода трансформатора определяется степенью прессовки пакета активной стали, нарушением межлистовой изоляции пакета стали и увеличением зазоров в местах стыковки.

Повреждение изоляции пластин магнитопровода приводит к образованию короткозамкнутых контуров и увеличению потерь от вихревых токов. Расчет зависимости удельных потерь от доли замкнутых пластин пакета стали, составляющем 1% от общей длины магнитопровода, показывает, что при нарушении межлистовой изоляции у 20% пластин рассматриваемого участка, потери не превышает допустимый предел 5%, регламентированный РЦ 34.45-51.300-97 «Объемы и нормы испытаний» электрооборудования, то есть вышеупомянутый дефект не диагностируется. Установить диагностический порог менее 5% не представляется возможным в связи с большим разбросом потерь холостого хода из-за явления остаточного магнетизма.

Нарушение изоляции пластин электротехнической стали магнитопровода вызывает локальные изменения электромагнитных характеристик магнитопровода и приводит к образованию «электромагнитной линзы». Тепловые потери от вихревых токов вызывают нагрев объема внутри «электромагнитной линзы» и увеличение удельного сопротивления электротехнической стали, что приводит к уменьшению вихревого тока и тепловых потерь. Температура «электромагнитной линзы» начинает снижаться и соответственно уменьшается сопротивление вихревого контура, что приводит к увеличению вихревого тока, и процесс саморегулирования повторяется. Благодаря механизму саморегулирования в объеме «электромагнитной линзы» устанавливается некоторая температура, и процесс стабилизируется на неопределенное время. Однако повышение температуры приводит к разрушению

изоляционного покрытия пластин стали на границах «электромагнитной линзы», тем самым увеличивая ее объем.

Установившаяся температура внутри объема стали с нарушенной межлистовой изоляцией определяется балансом мощности, выделяемой в этом объеме, и мощностью, рассеиваемой поверхностью стержня магнитопровода в окружающее масляное пространство. Циркуляция вихревых токов в объеме «электромагнитной линзы» вытесняет основной магнитный поток к краям магнитопровода, что вызывает увеличение потерь на гистерезис в неповрежденной части магнитопровода и приводит к нарушению установившегося теплового баланса. В дальнейшем происходит лавинообразное повышение температуры до температуры точки Кюри (769°С), когда электротехническая сталь теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком. В результате в объеме «электромагнитной линзы» исчезают магнитные потери и процесс может стабилизироваться в пределах температуры точки Кюри. Потеря части объема магнитопровода ферромагнитных свойств приводит к уменьшению полезного сечения магнитопровода, увеличивая индукцию и нагрев в ее «здоровой» части, тем самым провоцируя дальнейшее разрушение магнитопровода по всему сечению. Диагностировать появления «электромагнитной линзы» на ее начальной стадии очень сложно вследствие маскирующего действия остаточного магнетизма магнитопровода.

Особенностью магнитной системы трансформатора является наличие остаточной магнитной индукции, которая сохраняется в ферромагнетике после снятия поля. Эта особенность ферромагнетика не позволяет однозначно идентифицировать магнитную систему трансформатора. Неоднозначность состояния усугубляется наличием трехстержневой несимметричной магнитной системы, в каждом из стержней которой имеет место своя остаточная индукция.

Для исключения влияния остаточного магнетизма, повышения чувствительности и избирательности методов диагностики, в частности, метода измерения потерь холостого хода, предложено искусственно намагничивать магаитопровод постоянным током. Увеличивая ток намагничивания до значений, превышающих ток холостого хода, можно перевести сердечник в режим насыщения. С помощью постоянного намагничивающего поля можно зафиксировать рабочую точку на кривой намагничивания и, накладывая переменное магнитное поле, измерить величину магнитных потерь на частном цикле гистерезиса.

Во время измерения потерь холостого хода при малом напряжении предложено измерять ' вольт-ваттные характеристики. Вольт-ватгаые характеристики трансформатора представляют собой зависимость мощности активных потерь от величины подаваемого на обмотку трансформатора напряжения. Измерение вольт-ваттных характеристик в режиме искусственного намагаичивания магнитопровода позволяет исключить влияние остаточного магнетизма. Увеличивая ступенями постоянный ток намагничивания, можно получить семейство вольт-ваттных характеристик.

Вольт-ваттная характеристика описывается аналитической зависимостью вида Рш=и»-А1 + и2-А2

где п - показатель степени потерь на гистерезис; коэффициент А1 характеризует величину, пропорциональную потерям на гистерезис; коэффициент Аг - величина, пропорциональная потерям на вихревые токи.

Следует отметить, что полные удельные потери в стали, определенные опытным путем, больше суммы расчетных потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи. Это связано с наличием добавочных потерь в стали. Отделить добавочные потери в процессе измерений не представляется возможным, так как они не поддаются точному расчету. Обычно считают, что добавочные потери в стали относятся к увеличенным потерям от вихревых токов.

Определение коэффициентов аппроксимации Аи А2 осуществляется методом наименьших квадратов. Чтобы избежать влияния точек, имеющих большое отклонение от остальных данных, вводится функция, модифицирующая расчет суммы квадратов расстояний от точек до аппроксимирующей кривой таким образом, что влияние каждой конкретной точки уменьшается по мере ее удаления от аппроксимирующей кривой.

Сердечник трансформатора в режиме холостого хода при номинальном напряжении характеризуются индуктивным нелинейным элементом. Величина нелинейной индуктивности определяется геометрическими параметрами сердечника, свойствами стали и состоянием обмоток. Значение сопротивления нелинейной индуктивности также зависит or величины постоянного тока намагничивания. В зависимости от технического состояния магнитопровода и обмоток трансформатора изменяется гармонический состав тока холостого хода.

В третьей главе рассмотрены вопросы искусственного намагничивания трехстержяевой магнитной системы трансформатора, описаны измеряемые диагностические параметры.

В процессе проведения испытаний при намагничивании сердечника используются две обмотки трансформатора. На одну обмотку подается переменное синусоидальное напряжение. Другую обмотку подключают к внешнему источнику регулируемого постоянного тока. Намагнитив сердечник до определенного значения в области насыщения, измеряют потери холостого хода трансформатора.

Измерение потерь у трехфазных трансформаторов обычно проводят с приведением трехфазного трансформатора к однофазному путем поочередного замыкания накоротко обмотки одной из его фаз и возбуждения двух других фаз. В общем случае для трехфазного трансформатора проводится три опыта.

Первый опыт (кз. фаза а) - замыкают накоротко обмотку фазы а, питают обмотки фаз b ac трансформатора, подают постоянный ток на обмотку высокого напряжения фазы А и измеряют потери Рт в цепи обмоток низкого напряжения. Аналогично проводят два других опыта (кз. фаза b и кз. фаза с) при замыкании накоротко обмоток фаз Ъ и с соответственно.

Предлагаемая схема измерения потерь в режиме искусственного намагничивания отличается от опыта измерения потерь холостого хода тем, что на обмотку высокого напряжения замыкаемой фазы подается постоянный ток намагничивания. Несмотря на то, что на сторону высокого напряжения может трансформироваться напряжение, подаваемое со стороны обмотки низкого напряжения, подключение источника постоянного тока к фазе высокого напряжения при закороченной обмотке низкого напряжения той же фазы абсолютно безопасно, так как на этой фазе напряжение не трансформируется.

В общем случае при намагничивании сердечника трансформатора перемагничивание происходит по несимметричным петлям гистерезиса. Рабочие точки двух сердечников в один и тот же момент времени находятся на различных

участках кривой намагничивания. Это связано с тем, что в один момент времени магнитное поле одного сердечника Вт, создаваемое переменным напряжением, совпадает с полем обмотки намагничивания, а поле Вт другого сердечника направлено против постоянного поля обмотки намагничивания. При малых напряжениях в состоянии насыщения сердечника асимметрия в петлях гистерезиса незначительна. На рисунке 1 представлены частные петли гистерезиса с совмещенными центрами, при разных значениях постоянного тока намагничивания, для стали марки Э340.

0.4 0.3 0.2 0.1

£ о «

-0.1 -0.2 -03 -0.4

Рис. 1. Частные петли гистерезиса с совмещенными центрами при различных токах намагничивания для стали марки Э340

Измерения в режиме намагничивания позволяют выявить дефекты, обусловленные образованием контуров для циркуляции вихревых токов, которые проявляются только при номинальных напряжениях. Сущность диагностики при намагничивании магнитной системы заключается в том, что постоянным током производится перевод магнитной системы в необходимую точку кривой намагничивания, а переменным током производится определение свойств магнитной системы в окрестностях этой точки. Таким образом, воспроизводится общая характеристика магнитопровода.

В режиме намагничивания сердечника трансформатора постоянным током удельные потери в стали магнитопровода увеличиваются из-за увеличения потерь на гистерезис и вихревые токи. Расчет индукции и магнитных потерь в элементах трехфазной магнитной системы при намагничивании постоянным током среднего стержня показывает, что разница в величинах магнитных потерь в крайних фазах может быть вызвана не только появлением короткозамкнутого контура в одной из крайних фаз, но и изменением магнитно го сопротивления в зоне стыков стержней и ярма.

Отношение потерь холостого хода при закороченной обмотке фазы Ъ к потерям при закороченной обмотке фазы а предложено определять параметром КЬа. Аналогично может быть найден параметр КЬс. Обычно разница между значениями Кы, и КЬс незначительна. В практике проектирования. трансформаторов используется

ОмА 30 мА ........ 100 мА , 200 мА ........... 400 мА . 600 мА , л '^р^р^.......

Р\Т\ \

............' ........... Ул/г/ У :............I..........I...........

(у

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Н, Л/ч

конструктивный параметр р, который определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки и соответственно размеры мапштопровода. Расчет зависимости параметра Кы, от постоянного тока намагничивания для различных значений р показывает, что в области насыщения параметр Кы, мало зависит от постоянного тока намагничивания, а однозначно связан с конструктивным параметром р. Полученная по результатам расчета аппроксимирующая прямая Л^,=0.1653р+1.364 позволяет выполнять диагностическую оценку соответствия опытного отношения потерь холостого хода в состоянии насыщения расчетному значению. Меньшим значениям параметра Кьа соответствуют трансформаторы относительно узкие и высокие, большим - широкие и низкие.

Асимметрию характеристик потерь холостого хода крайних фаз предложено оценивать параметром К„с, который равен отношению потерь при закороченных обмотках фаз вис. Различают стабильную и динамическую асимметрию. Стабильная асимметрия формируется уже на стадии изготовления магнитопровода и не влияет на работу трансформатора. Динамическая асимметрия характеризуется увеличением со временем разницы между характеристиками потерь холостого хода крайних фаз. Причинами возникновения динамической асимметрии являются короткие замыкания, вызывающие механические деформации магнитопровода, тепловые удары стали магнитопровода, ослабление прессовки магнитопровода, ухудшение изоляции пластин магнитопровода, коррозия стали магнитопровода вследствие повышенного содержания влаги в трансформаторном масле, увеличение магнитного сопротивления в местах стыков пластин магнитопровода, естественное старение стали магнитопровода. Отслеживание параметра Кт в процессе проведения испытаний имеет большое значение, так как изменение асимметрии связано с изменениями в магнитопроводе трансформатора.

Диагностические возможности предлагаемого метода измерения потерь холостого хода при малом напряжении можно расширить путем нахождения составляющих потерь от гистерезиса^ и вихревых токов Аг по результатам измерения вольт-ваттных характеристик. Измерение семейства вольт-ваттных характеристик позволяет получить зависимости Л^Д/аш) и Аг~/{1т*), которые отражают изменение потерь на гистерезис и вихревые токи при разных значениях постоянного тока намагничивания. На рисунке 2 представлен пример нормированных характеристик А1=Л1т*) иЛ2=/(Лли) для трансформатора ТДН-10000/110.

Дефекты влияют на величину составляющих потерь, поэтому отношение Л) к Аг может служить информативным параметром. Диагностический параметр А1/А2 отражает соотношение потерь на гистерезис и вихревые токи в объеме сердечника магнитопровода. При одинаковых геометрических параметрах и, свойствах стали магнитопровода отношение^/Аг для разных фаз,как правило, равно.

Короткозамкнутый контур вокруг основного магнитного потока создает размагничивающее поле, направленное против основного потока. Уменьшение индукции магнитного поля в сердечнике уменьшает долю потерь на гистерезис, что характеризуется уменьшением коэффициента А\. Активные потери в короткозамкнутом контуре вызывают увеличение коэффициента Аг, соответственно уменьшается диагностический параметр А\! Аг. При намагничивании постоянным магнитным полем доля вихревых потерь значительно превосходит потери на гистерезис. При этом диагностический параметр А\! Аг имеет существенно меньшее значение по сравнению с нормальным режимом.

Рис. 2. Характеристики потерь на гистерезис (Л 0 и вихревые токи (Аг) для трансформатора ТДН-10000/110 в режиме намагничивания: а - опыт кз. фаза а; Ъ - опыт кз. фаза Ь: с - опыт кз. фаза с

Нарушение изоляции пластин электротехнической стали магнитопровода приводит к увеличению вихревых токов, что вызывает перераспределение магшггного поля в сечении магнитопровода. Магнитное поле вытесняется в неповрежденную часть магнитопровода, где из-за увеличения индукции растут потери на гистерезис. Значение параметра А\!Аг изменяется незначительно, однако при намагничивании постоянным магнитным полем вследствие насыщения материала магнитопровода и уменьшения вихревого тока в «электромагнитной линзе» наблюдается увеличение диагностического параметра^ !Аг по сравнению с нормальным состоянием.

Характеристики потерь на гистерезис и вихревые токи /)2=Д/на«), а

также их отношение могут быть использованы для сравнения с результатами предыдущих измерений. Если намагничивание невозможно, диагностику можно провести по изменению параметров^] и Аг, определяемых по данным опыта холостого хода.

При намагничивании трансформатора постоянным током рабочую точку можно перенести в область второго изгиба кривой намагничивания, где наиболее сильно проявляются нелинейные свойства стали сердечника, и провести измерения гармонического состава тока холостого хода при напряжениях, меньших номинального. Изменяя уровень намагничивания, можно получить зависимость изменения амплитуд гармоник тока холостого хода от постоянного тока намагничивания. Нормированные значения мощности гармоник определяются с помощью характеристики которая имеет вид

I2 1 II

т4

хх(0) I \ **(<>)/

где /мфл) - амплитуда т-й гармоники тока холостого хода, 0, - амплитуда основной гармоники (50 Гц).

Схема проведения измерений характеристики я/^ аналогична опыту измерения потерь холостого хода трансформатора при различных уровнях намагничивания. Отличия состоят в том, что величина прикладываемого переменного напряжения не изменяется, меняется только постоянный ток намагничивания.

При симметрии магнитной системы и обмоток характеристики крайних фаз равны между собой. Изменения резонансных характеристик намагничивающего контура, вызванные дефектом, приводят не только к изменению мощности гармоник, но и к смещению условных максимумов, то есть мощность гармоники достигает максимальных значений при других токах намагничивания. Наличие постоянной составляющей магнитного поля вызывает появления четных гармоник в токе холостого хода. В характеристике четных гармоник наиболее сильно проявляется асимметрия крайних стержней магнитной системы, так как при неравномерном распределении индукции в стержнях магнитопровода рабочие точки находятся в разных местах кривой намагничивания при одинаковых токах намагничивания.

Характеристика может служить диагностическим критерием для оценки отклонений, связанных со старением сердечника трансформатора, а также с изменением его геометрических параметров. Характеристика $/{т> индивидуальна для каждого трансформатора.

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования влияния дефектов магнитной системы на измеряемые диагностические параметры.

Вольт-ваттные характеристики могут быть сняты с помощью измерительных комплектов типа К540 (К505) или цифрового двухканального осциллографа. Для облегчения процесса учета собственного потребления измерительных комплектов разработана программа для персонального компьютера, которая позволяет выполнять измерения с полной детализацией положений режимных переключателей для каждого из типов измерительной аппаратуры. В случае измерения вольт-ваттных характеристик цифровым осциллографом в первом канале вдет запись прикладываемого напряжения к обмоткам низкого напряжения, во втором канале, через датчик тока или образцовый шунт с малым сопротивлением, - ток в цепи обмоток низкого напряжения. Определение значений напряжения и мощности осуществляется на персональном компьютере. Обработка результатов измерений экспериментально полученных вольт-ваттных характеристик и нахождение параметров Ль Аг выполняется с помощью разработанного программного обеспечения.

Определение параметров А\ и Аг трансформатора напряжения марки ЗНОМ-Ю проводилось для нормального и дефектного состояния. Дефект представляет собой искусственно созданный короткозамкнутый виток из медного провода диаметром 0.2 мм по внешнему слою обмотки высокого напряжения. Результаты измерений показывают, что в случае короткозамкнутого витка составляющая потерь на гистерезис (¿О уменьшается, при этом увеличивается составляющая потерь на вихревые токи (Аг). Значение параметра А1/А2 при короткозамкнутом витке значительно меньше, чем в нормальном состоянии. Изменение параметра А\!Аг составляет 24.4%, потерь холостого ходаЛР 5.5%.

Измерение параметров А\ иЛг при разных токах намагничивания проводились на трансформаторе ТМ-100/10 в нормальном состоянии и при наличии искусственно созданного повреждения межлистовой изоляции стали магнитопровода.

Дефект повреждения межлистовой изоляции представляет собой 40 пластин стали с удаленным лаковым слоем изоляции. Повревденные пластины были расположены в верхнем ярме магнитопровода. Объем пакета с нарушенным изоляционным покрытием составляет 0.99% от общего объема стали магнитопровода.

Повреждение межлистовой изоляции вызывает увеличение потерь от вихревых токов и уменьшение потерь на гистерезис. При увеличении тока намагничивания

потери на вихревые токи незначительно превышают потери в нормальном состоянии, но из-за повышения индукции в неповрежденной части магнитопровода увеличиваются потери на гистерезис. Нарушение межлистовой изоляции стали приводит к увеличению потерь холостого хода, измеренных без намагничивания, на 1.96% по сравнению с нормальным состоянием. На рисунке 3 представлены результаты измерения характеристики AitAz=j\Imit) для нормального и дефектного состояний. Среднее значение абсолютных величин разности отношений AilAi дефектного и нормального состояния составляет 5.1%.

1нам, А

Рис. 3. Зависимость отношения параметров Л]1Аг от тока намагничивания для нормального состояния и при повреждении изоляции пластин стали: 1 - нормальное состояние изоляции; 2 - нарушение межлистовой изоляции

Измерение характеристики А1/А1 при разных токах намагничивания на трансформаторе ТМН-2500/110 перед проведением ремонтных работ показало значительное отличие результатов при замкнутой фазе с и замкнутых фазах Ъ, а. Результаты измерения характеристики/!, //12=Д^мм] представлены на рисунке 4а.

Осмотр активной части магнитопровода во время проведения ремонтных работ позволил обнаружить, что распорные винты, используемые для предотвращения смещения активной части при перевозках и разгрузочно-погрузочных работах, не были переведены в эксплуатационное состояние.

Трансформатор с завинченными распирающими винтами не имеет видимых отклонений от нормального состояния и может достаточно долго эксплуатироваться. Однако вследствие жесткой механической связи ярмовых балок с баком по прошествии длительного времени, как правило, происходит разрушение сварного шва бака трансформатора. Распирающие винты, находящиеся в транспортном положении, могут образовывать контуры для циркуляции нерасчетных вихревых токов и, как следствие, приводить к возникновению нагрева и подгара в месте соприкосновения винтов и ярмовых балок.

На рисунке 46 представлены характеристики А\!А2=/[1ти) после устранения дефекта. Отличие средних значений отношения параметра Л\ IЛг между опытами при

замыкании фаз а и с до и после ремонта составляет 32.66% и 2.06% соответственно. Типовые испытания трансформатора не позволяют выявить данный вид дефекта монтажа. Испытания в режиме намагничивания позволяют выявить асимметрию распределения потерь в объеме магнитопровода трансформатора.

3 <

кз. фаза а кз. фаза b .......

кз. фаза с

<

J.S 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6

'V.....

кз. фаза а _

кз. фаза b .......

кз. фаза с ......ф...

0.5

1

1.5

1пам,А

а)

б)

Рис. 4. Зависимость параметра/411Л2 от тока намагничивания для трансформатора ТМН-2500/110 до (а) и после (б) устранения «паразитного» контура

Измерение характеристики sfim) проводилось с помощью цифрового осциллографа. Гармонический состав записанного цифровым осциллографом тока холостого хода в цепи обмоток низкого напряжения определялся с помощью дискретного преобразования Фурье. Были рассмотрены составляющие в диапазоне от второй до двадцатой гармоники. Мощности гармоник выше третьей сравнимы с мощность шумов индуцируемых в обмотке, поэтому анализ проводился для составляющих 100 Гц и 150 Гц тока холостого хода.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 1вам, Л

-27

-27.5

« -28

■о

i -28.5

Ш -29

-29.5

-30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 loan, А

Рис. 5. Изменение характеристики второй и третьей гармоник тока холостого хода при ослаблении стяжки ярмовых балок: 1 - нормальное состояние; 2 - ослаблена стяжка ярмовых балок

Характеристика sf(m) измерялась для трансформатора марки ТМ-100/10. В магнитной системе и обмотках трансформатора искусствешю создавались такие дефекты как короткозамкнутый контур, нарушение межлистовой изоляции и ослабление стяжки ярмовых балок.

Короткозамкнутый контур вызывает незначительное отклонение характеристики составляющей 100Гц. Дефекты без резко изменяющихся характеристик, такие как короткозамкнутый контур, «электромагнитная линза», вызывают уменьшение мощности составляющей 150 Гц по сравнению с нормальным состоянием.

Наиболее значительное отклонение мощности второй и третьей гармоник вызывает ослабление стяжки ярмовых балок, которое наряду с изменением электрических параметров вызывает изменение резонансных свойств электромеханической системы магнитопровода трансформатора. На рисунке 5 представлены характеристики sfim) второй и третьей гармоник для нормального состояния и при ослаблении стяжки ярмовых балок. Зависимость изменения мощности гармоник тока холостого хода от величины постоянного тока намагничивания может применяться для оценки изменения состояния магнитной системы и обмоток трансформатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

• Разработан способ повышения чувствительности метода измерения потерь холостого хода, позволяющий исключить влияние остаточного магнетизма на результаты измерений.

• Предложен диагностический параметр Кы (КЬс), отражающий отношение потерь холостого хода при намагничивании центрального стержня к потерям при намагничивании одного из крайних стержней трехфазного трансформатора.

• Предложен диагностический параметр К^, отражающий асимметрию потерь холостого хода при намагничивании крайних стержней магнитопровода.

• Разработан способ измерения вольт-ваттных характеристик и обработки результатов измерений для нахождения диагностических параметров Ai, Аг и AilAi, отражающих соответственно величину потерь на гистерезис, вихревые токи и их отношение.

• Предложена диагностическая характеристика s/w, отражающая зависимость мощности гармоник тока холостого хода от величины постоянного тока намагничивания.

• Исследовано влияние характерных дефектов магнитной системы на предложенные диагностические параметры в режиме намагничивания, показавшее увеличение параметра Ai/A2 при повреждении межлистовой изоляции, из-за увеличения потерь на гистерезис Аи и уменьшение А1/А2 при образовании короткозамкнутых контуров, из-за увеличения составляющей потерь на вихревые токи Аг. Выявлено изменение диагностической характеристики sfw при образовании короткозамкнутых контуров и ухудшении степени прессовки ярмовых балок по сравнению с нормальным состоянием.

• Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс определения диагностических параметров.

¿í

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Муратаев И.А. Обработка результатов измерений при диагностике силовых трансформаторов / Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. // Казань: Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики - 2008. № 3-4. С.127-130.

2. Муратаев И.А. Определение диагностических параметров трансформатора в режиме искусственного намагничивания/ Козлов В.К., Муратаев И. А., Муратаева Г.А. // Казань: Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики - 2008. № 9-10. С. 52-58.

3. Муратаев И.А. Обработка результатов измерений при диагностике силовых трансформаторов / Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. // М.: Энергетик: -2008. № 10. С. 21-22.

4. Муратаев И.А. Моделирование трансформатора с учетом нелинейности магнитной системы / Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. // Всероссийская науч.-техн. конф. «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии»: Материалы докладов. Тула: ТулГУ, 2007. С. 42-43.

5. Муратаев И.А. Определение диагностических параметров трансформатора в режиме искусственного намагничивания / Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. // 1П молодежная мевд. науч. конф. «Тинчуринские чтения»: Материалы докладов. Казань: КГЭУ, 2008. С. 33-34.

6. Муратаев И.А. Искусственное намагничивание трансформатора для определения диагностических параметров / Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. // Межд. научно-техн. конф. «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы»: Материалы докладов. Казань: КГЭУ, 2008. С. 17-21.

7. Муратаев И.А. Патент на изобретение №2354982: Способ диагностики магнитной системы трансформатора / Муратаев И.А., Муратаева Г.А. Заявка №2007128240/28, 2009, бюл. №13.

8. Муратаев И.А. Решение о выдаче патента на изобретение: Способ формирования диагностического параметра при испытаниях электромагнитных преобразователей энергии / В.К. Козлов, И.А. Муратаев, Г.А. Муратаева. Заявка 2008105389/09(005841), 2009.

Подписано к печати 23.10.09 Формат 60 х 84 / 16

Гарнитура "Times" Вид печать РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1.0. Усл. печ. л. 0.94 Уч. - изд. л. 1.0

Тираж 100 экз. Заказ

Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

ВВЕДЕНИЕ 2

ГЛАВА 1. ДЕФЕКТЫ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

ТРАНСФОРМАТОРА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ 8

1.1 Дефекты магнитной системы трансформатора и их развитие 8

1.2 Методы диагностики активной части трансформатора 17

1.3 Особенности метода измерения потерь холостого хода при пониженном напряжении 28

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ НА ВЕЛИЧИНЫ ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ И ПОВЫШЕНИЕ ИХ

ИНФОРМАТИВНОСТИ 32

2.1 Основные виды потерь в трансформаторе 32

2.2 Потери в магнитопроводе при повреждении изоляции пластин стали 35

2.3 Электромагнитная неоднородность в теле магнитопровода 39

2.4 Искусственное намагничивание магнитопровода 46

2.5 Вольт-ваттные характеристики трансформатора 48

2.6 Аппроксимация вольт-ваттных характеристик 52

2.7 Гармонический состав тока холостого хода трансформатора 60

ГЛАВА 3. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗМЕРЯЕМЫЕ В РЕЖИМЕ ИСКУССТВЕННОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ СЕРДЕЧНИКА ТРАНСФОРМАТОРА 66

3.1 Измерение потерь холостого хода в режиме искусственного намагничивания сердечника трансформатора 66

3.2 Определение индукции в элементах трехфазной магнитной системы при намагничивании сердечника постоянным током 71

3.3 Определение потерь холостого хода мри малых напряжениях в режиме намагничивания одного из стержней постоянным током

3.4 Влияние габаритных размеров трансформатора на отношение потерь холостого хода

3.5 Асимметрия характеристик потерь холостого хода крайних фаз трансформатора в режиме намагничивания

3.6 Диагностические параметры АI и А2

3.7 Диагностическая характеристика

84

90 98

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1 Техническое обеспечение для проведения измерений

4.2 Измерение параметров А\ и А2 трансформатора напряжения ЗНОМ-Ю

4.3 Измерение параметров А\ и А2 при повреждении межлистовой изоляции

4.4 Измерение параметров А\ и А-ТМН-2500/110

4.5 Измерение характеристики ТМ-100/10 транс форматора трансформатора

104 104

111

118

125

136

Актуальность работы. С увеличением срока службы силовых трансформаторов в энергосистеме становится актуальным вопрос их безаварийной работы. Это, в свою очередь, ставит проблему качественной диагностики для выявления возможных дефектов магнитной системы трансформатора, что важно при решении вопроса о дальнейшей эксплуатации длительно работавших трансформаторов.

Известен способ диагностики магнитной системы путем измерения потерь холостого хода при малом напряжении. Измеренные пофазно потери сравнивают между собой и с результатами предыдущих испытаний. При этом результаты измерений потерь холостого хода сильно зависят от величины остаточного намагничивания сердечника трансформатора, являющегося следствием внезапного обрыва тока при отключении трансформатора. Уровень остаточного намагничивания является случайной величиной и зависит только от фазы тока в момент отключения трансформатора.

Для получения достоверных результатов потерь в стали магнитопровод трансформатора необходимо размагнитить. Процедура размагничивания -довольно сложный и длительный процесс. Отсутствие возможности проконтролировать остаточную намагниченность сердечника не позволяет однозначно утверждать, что сердечник размагничен до нулевого значения остаточной индукции. Таким образом, измерив потери холостого хода, невозможно однозначно определить, является ли разброс значений результатом остаточного намагничивания или развивающегося дефекта.

В процессе эксплуатации трансформатора могут возникнуть дефекты, обусловленные изменением геометрии магнитных конструкций под действием магнитного поля, которые проявляются только в рабочем режиме и исчезают со снятием магнитного поля. Выявить такие дефекты, измеряя потери холостого хода при малом напряжении, практически невозможно, так как получаемые результаты не превышают допустимые отклонения.

В связи с этим, актуальной является разработка способа диагностики магнитной системы трансформатора, основанного на искусственном намагничивании сердечника трансформатора и определении диагностических параметров по результатам измерения потерь холостого хода при малом напряжении.

Цель работы - разработка способов определения диагностических параметров магнитной системы трансформатора в режиме искусственного намагничивания.

Для реализации сформулированных целей необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать способ искусственного намагничивания магнитопровода трехфазного трансформатора во время измерения потерь холостого хода при малом напряжении.

2. Определить и обосновать диагностические параметры, измеряемые в режиме искусственного намагничивания.

3. Разработать алгоритмы проведения измерений и обработки результатов измерений для нахождения диагностических параметров.

4. Исследовать влияние дефектов на изменения диагностических параметров.

5. Создать программное обеспечение для автоматизации процесса определения диагностических параметров.

Объект исследования. Объектом исследования в представленной работе являются трансформаторы, в том числе - трехфазные силовые трансформаторы, используемые в электроэнергетике.

Методы исследования. В работе использованы методы и положения теории электрических цепей, теории электрических машин и теории обработки сигналов. Исследования проводились с применением численных методов и программ для ЭВМ, натурного эксперимента на трансформаторах. Научная новизна полученных результатов: 1. Разработан способ определения потерь на гистерезис и вихревые токи по результатам аппроксимации вольт-ваттных характеристик.

2. Исследовано влияние асимметрии характеристик крайних фаз трансформатора на распределение потерь холостого хода в элементах трехфазной магнитной системы в режиме намагничивания. Обнаружено, что различие потерь в крайних фазах может быть вызвано не только появлением короткозамкнутого контура в одной из фаз, но и изменением магнитного сопротивления в зоне стыков стержней и ярма.

3. Исследовано влияние габаритных размеров магнитопровода на отношение потерь холостого хода при намагничивании центрального стержня к потерям при намагничивании крайнего стержня. Выявлено, что в состоянии насыщения отношение потерь в малой степени зависит от постоянного тока намагничивания, а в основном связано с геометрическими размерами магнитной системы.

4. Исследовано влияние дефектов магнитной системы на составляющие потерь на гистерезис и вихревые токи в режиме искусственного намагничивания трансформатора. Выявлено, что соотношение составляющих потерь изменяется при образовании короткозамкнутых контуров и повреждении межлистовой изоляции.

5. Исследовано влияние дефектов на гармонический состав тока холостого хода трансформатора при намагничивании сердечника постоянным током. Обнаружено изменение мощности гармоник тока холостого хода при образовании короткозамкнутых контуров и изменении степени прессовки ярмовых балок.

Практическая ценность представляемой работы заключается в следующем:

1. Разработан способ искусственного намагничивания магнитопровода трехфазного трансформатора без применения дополнительной обмотки и вскрытия бака, позволяющий повысить чувствительность методов диагностики.

2. Предложены диагностические параметры, отражающие потери на гистерезис (Л]), вихревые токи (Л2) и отношение этих потерь (А 11Л2).

3. Предложены диагностические характеристики, отражающие зависимости потерь на гистерезис (А\=/(1и^)), вихревые токи (Л2=/(/Нам)) и их отношения (А\IАг=Л1иы)) от величины постоянного тока намагничивания.

4. Разработано программное обеспечение для определения диагностических параметров^] (потери на гистерезис) иЛ2 (потери от вихревых токов) по результатам измерения вольт-ваттных характеристик.

5. Предложена диагностическая характеристика ($/(П1)), отражающая зависимость мощности гармоник тока холостого хода трансформатора от величины постоянного тока намагничивания.

На защиту выносятся:

1. Способ диагностики магнитной системы трансформатора в режиме намагничивания сердечника постоянным током.

2. Методика выявления дефектов в магнитной системе трансформатора, основанная на использовании параметров, отражающих потери на гистерезис, вихревые токи и их отношение.

3. Методика выявления дефектов в магнитной системе трансформатора, основанная на использовании мощности гармонических составляющих тока холостого хода трансформатора в режиме намагничивания. Обоснованность и достоверность результатов и выводов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, корректностью исходных предположений и допущений, успешной реализацией ряда основных положений работы в практических исследованиях на реально действующем оборудовании.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и определении путей получения их решения, в создании программного обеспечения для обработки измеренных данных, проводил все измерения, обработку и анализ экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2007); Четырнадцатой и Пятнадцатой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008, 2009); Третьей молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008); Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК (2 в издании, рекомендованном ВАК по специальности диссертации); получено одно свидетельство на патент и одно решение о выдаче патента.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, библиографии и приложений. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 1 таблицу; библиографический список включает 68 наименований.

142 Выводы

1. Измерение вольт-ваттных характеристик возможно провести с помощью измерительных комплектов типа К540 (К505) или с помощью цифрового двухканального осциллографа. Для облегчения процесса учета собственного потребления измерительных комплектов (К505, К540) разработана программа для персонального компьютера, которая позволяет выполнять измерения с полной детализацией положений режимных переключателей для каждого из типов измерительной аппаратуры. В случае измерения вольт-ваттных характеристик цифровым осциллографом к одному каналу подключается датчик тока ко второму датчик напряжения. Обработка результатов измерений экспериментально полученных вольт-ваттных характеристик и нахождение параметров А\, А2 выполняется с помощью разработанного программного обеспечения. Измерение характеристики заключается в записи тока холостого хода, с помощью цифрового осциллографа, при одном значении напряжения, приложенного к обмоткам трансформатора, для разных значений постоянного тока намагничивания. Обработка данных записанных осциллографом, определение гармонического состава тока холостого хода выполняется с помощью разработанной программы.

2. Определение параметров А\ и Л2 трансформатора напряжения марки ЗНОМ-Ю проводилось для нормального и дефектного состояния. Дефект представляет собой искусственно созданный короткозамкнутый виток по внешнему слою обмотки высокого напряжения. Результаты измерений показывают, что в случае короткозамкнутого витка составляющая потерь на гистерезис (Аг) уменьшается, при этом увеличивается составляющая потерь на вихревые токи (Л2). Значение параметра Л1/Л2 при короткозамкнутом витке значительно меньше, чем в нормальном состоянии. Изменение параметра А\!А2 составляет 24.4%. Изменение потерь холостого хода АР равно 5.5%.

3. Измерение параметров А\ и А2 при разных токах намагничивания проводились на трансформаторе ТМ-100/10 в нормальном состоянии и при наличии искусственно созданного повреждения межлистовой изоляции стали магнитопровода. Объем пакета с нарушенным изоляционным покрытием составляет 0.99% от общего объема стали магнитопровода. Повреждение межлистовой изоляции вызывает увеличение потерь на вихревые токи и уменьшение потерь на гистерезис. При увеличении тока намагничивания потери на вихревые токи незначительно превышают потери в нормальном состоянии, но из-за повышения индукции в неповрежденной части магнитопровода увеличиваются потери на гистерезис. Нарушение межлистовой изоляции стали приводит к увеличению потерь холостого хода, измеренных без намагничивания, на 1.96% по сравнению с нормальным состоянием. Среднее значение абсолютных величин разности отношений А\1А2 дефектного и нормального состояния составляет 5.1%.

4. Измерение характеристики А\/А2 при разных токах намагничивания на трансформаторе ТМН-2500/110 показало значительное отличие результатов при замкнутой фазе с и замкнутых фазах Ь, а. Осмотр активной части магнитопровода во время проведения ремонтных работ позволил обнаружить, что распорные винты, используемые для предотвращения смещения активной части при перевозках и разгрузочно-погрузочных работах, не были переведены в эксплуатационное состояние. Распирающие винты, находящиеся в транспортном положении, могут образовывать контуры для циркуляции нерасчетных вихревых токов и как следствие приводить к возникновению нагрева и подгара в месте соприкосновения винтов и ярмовых балок. Типовые испытания трансформатора не позволяют выявить данный вид дефекта монтажа. Испытания в режиме намагничивания позволяют выявить асимметрию распределения потерь в объеме магнитопровода трансформатора.

5. Характеристика измерялась для трансформатора марки ТМ-100/10. В магнитной системе и обмотках трансформатора искусственно создавались такие дефекты как короткозамкнутый контур, нарушение межлистовой изоляции и ослабление стяжки ярмовых балок. Дефекты без резко изменяющихся характеристик, такие как короткозамкнутый контур, «электромагнитная линза», вызывают уменьшение мощности составляющей 150 Гц по сравнению с нормальным состоянием. Наиболее значительное отклонение мощности второй и третьей гармоники вызывает ослабление стяжки ярмовых балок, которое наряду с изменением электрических параметров вызывает изменение резонансных свойств электромеханической системы магнитопровода трансформатора. Зависимость изменения мощности гармоник тока холостого хода от величины постоянного тока намагничивания может применяться для оценки изменения состояния магнитной системы и обмоток трансформатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Разработан способ повышения чувствительности метода измерения потерь холостого хода путем искусственного намагничивания сердечника трансформатора от источника постоянного тока для исключения влияния остаточного магнетизма на результаты измерений.

2. Предложен диагностический параметр КЬа (КЬс), отражающий отношение потерь холостого хода при намагничивании центрального стержня к потерям при намагничивании одного из крайних стержней трехфазного трансформатора.

3. Предложен диагностический параметр Кас, отражающий асимметрию потерь холостого хода при намагничивании крайних стержней магнитопровода.

4. Предложен способ измерения вольт-ваттных характеристик трансформатора в режиме намагничивания сердечника трансформатора.

5. Разработан способ обработки результатов измерений вольт-ваттных характеристик для нахождения диагностических параметров А\, Л2 и А\1А2, отражающих величину потерь на гистерезис, вихревые токи и их отношение. Диагностические параметры Аь А2 и А\/А2 могут определяться при проведении опыта холостого хода в режиме искусственного намагничивания. Получаемые зависимости потерь на гистерезис, вихревые токи и их отношение от постоянного тока намагничивания отражают состояние активной части трансформатора.

6. Исследовано влияние дефектов на измеряемые диагностические параметры А\, А2 и А\/А2. Короткозамкнутый контур уменьшает значение коэффициента Л1, а увеличение потерь от вихревых токов вызывает увеличение коэффициента А2, соответственно уменьшается параметр А\/А2. При намагничивании, диагностический параметр А\1А2 имеет существенно меньшее значение по сравнению с нормальным режимом. Нарушение изоляции пластин электротехнической стали магнитопровода вызывает вытеснение магнитного поля в неповрежденную часть магнитопровода, что приводит к росту А\. В объеме «электромагнитной линзы» так же возрастают квадратичные потери, однако при намагничивании постоянным магнитным полем вследствие насыщения материала магнитопровода и уменьшения вихревого тока в «электромагнитной линзе» наблюдается увеличение диагностического параметра А\!Аг.

7. Разработано программное обеспечение для автоматизации процесса определения диагностических параметров А\ и А2 по результатам измерения вольт-ваттных характеристик.

8. Предложена диагностическая характеристика з/(т) отражающая зависимость мощности гармоник тока холостого хода от величины постоянного тока намагничивания. Характеристика £/(,„) может служить критерием для оценки отклонений связанных со старением сердечника трансформатора, а также выявления изменений его геометрических параметров.

9. Исследовано влияние дефектов на характеристику Б/{т) второй и третье гармоники. Дефекты без резко изменяющихся характеристик в процессе проведения испытаний, такие как образование короткозамкнутого контура, «электромагнитной линзы», вызывают уменьшение мощности составляющей третьей по сравнению с нормальным состоянием, на характеристику второй гармоники данные дефекты влияют незначительно. Наиболее сильные изменения характеристик вызывает ослабление стяжки ярмовых балок.

Результаты теоретических и практических исследований, полученные в настоящей работе, показывают перспективность диагностирования трансформаторного оборудования в режиме искусственно намагничивания. Измерение предложенных диагностических характеристик и включение их в технический паспорт вновь изготовленных трансформаторов позволит отслеживать в будущем состояние трансформатора в процессе эксплуатации. Проведение дальнейших исследований с целью создания базы данных на основе обследования дефектных трансформаторов позволит создать эффективную методику оценки технического состояния трансформаторного оборудования.

Прежде всего, я хочу поблагодарить моего научного руководителя Козлова Владимира Константиновича за оказанное терпение, руководство и постоянное внимание к работе. Я хотел бы поблагодарить всех тех, кто помогал и поддерживал меня во время выполнения настоящей работы.

1. Feller U., Boesch H.R. Magnetic losses of electrical steel with a large biasing DC flux density // J.Mag.Mater. 1981. - V.26. - P. 65 - 68.

2. Lachman M.F. Диагностика трансформатора посредством анализа тока намагничивания // IEEE Trans, on Power Deliv. 1994. V.9. - № 3. - p. 1466 - 1475.

3. Okuyama K. A numerical analysis of impulse voltage distribution in transformer windings // Elec. Eng. In Japan.1967. V. 87. - № 1. - p. 80 - 88.

4. Rahimpour E., Christian J., Feser K., Mohseni H. Transfer Function Method to Diagnose Axial Displacement and Radial Deformation of Transformer Windings // IEEE Trans, on PD.2003. V.18. - No.2. - p. 493 - 505.

5. Stewart C.V. Robust Parameter Estimation in Computer Vision // SIAM REVIEW. 1999.V.41 .№ 3.p.513 537.

6. Tenbohlen S., Ryder S.A. Making Frequency Response Analysis Measurements: A Comparison of the Swept Frequency and Low Voltage Impulse Methods // Proc. of the 13th Int. Symp. on High Voltage Engineering (ISH2003), Netherlands 2003.

7. Wang M., Vandermaar A .J., Srivastava K.D. Transformer Winding Movement Monitoring in Service Key Factors Affecting FRA Measurements // IEEE El. Ins. Mag.2004. - V. 20 - № 5. - p. 5 - 12.

8. Yanase S., Okazaki Y., Asano T. AC magnetic properties of electrical steel core under DC biased magnetization // J.Mag.Mater.2000. - V.215 - 216. - P. 156 - 158.

9. A.M. Заездный, В.Ф. Кушнир, Б.А. Ферсман. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Связь, 1968. - 400 с.

10. Алексеев Б. А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. М.: НЦ ЭНАС, 2002. - с. 97 - 98.

11. Ашрятов А.К. Измерение потерь холостого хода силовых трансформаторов // Электрические станции. 1948. - № 5. - с.34 - 36.

12. Бамдас A.M., Шапиро С.В. Трансформаторы, регулируемые подмагничиванием. M.;JI.: Энергия, 1965. - 160 с.

13. Бессонов JI. А. Теоретические основы электротехники. Изд. 9-е, перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1996. - 652 с.

14. Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов. М.: Высш. шк., 1970. - 600с., ил.

15. В. Нерретер. Расчет электрических цепей на персональной ЭВМ: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 220с.: ил.

16. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. JL: Энергия, 1970.-432 с.

17. Вержбицкий В.М. Численные методы. Математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения: Учеб. пособие для ВУЗов. М.: Высш. шк., 2001. - 382с.: ил.

18. Виброакустическая проверка прессовки в трансформаторе // Electrical World.1999. V.213. - № 6.р.58.

19. Г.И. Атабеков, С.Д. Купалян, А.Б. Тимофеев, С.С. Хухриков. Теоретические основы электротехники, под ред. Г.И. Атабекова. М. JL, Энергия, 1966. - 280 с.

20. Дегтярева А., Вежневец В. Line fitting, или методы аппроксимации набора точек прямой Электронный pecypc.URL: http: // cgm.computergraphics.ru/content/view/41

21. Диагностика деформаций обмоток силовых трансформаторов и реакторов методом низковольтных импульсов/А.А. Дробышевский, Е.И. Левицкая, Д.В. Андреев и др. // Электрические станции. 1997. - № 3. - С.71 - 74.

22. Диагностика и профилактическое обслуживание подстанций и отдельных видов их оборудования/ СИГРЭ, ИК 12 15, 23, 33, 34, 39 // Proc.of CIGRE Symposium, Berlin.19 - 21.04.1993.

23. Диагностика обмоток силовых трансформаторов методом низковольтных импульсов/ С. В. Аликин, А. А. Дробышевский, Е. И. Левицкая, М. А. Филатова // Электротехника. 1991. №12. - с. 30 - 35.

24. Диагностика состояния обмоток силовых трансформаторов путем измерения сопротивления рассеяния/Е. Arri, A. Carta, F. Mocci, М. Tosi // IEEE

25. Trans on Instrum. and Meas. 1993. Vol 42. - №2. - p. 372 - 378.

26. Зайкова B.A., Старцева И.Е., Филлипов Б.Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. М.: Наука, 1992. - 272 с.

27. И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. Пособие для вузов. М.: Дрофа, 2006. - 719 е.: ил.

28. Испытание мощных трансформаторов и реакторов/Алексеенко Г.В., Ашрятов А.К., Веремей Е.А., Фрид Е.С. 2-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1978. - 520 е., ил.

29. Карасев В.В., Семенова С.Б. Потери в электрической стали при наличии постоянной и переменной составляющих магнитного поля // Электротехника. -1975.-№4.-с. 28-31.

30. Катаев В.А., Стародубцев Ю.Н. Магнитные потери на частотном цикле при подмагничивании постоянным полем в монокристалле кремнистого железа// Физ. Мет. И металловед. 1988.Т.65, № 6. с. 1090 - 1095.

31. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. M.;JI.: Госэнергоиздат, 1962. - 544 с.

32. Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. Обработка результатов измерений при диагностике силовых трансформаторов // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. 2008. - № 3 - 4. - С. 127 - 130.

33. Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. Обработка результатов измерений при диагностике силовых трансформаторов // Энергетик. 2008. - № 10.-С. 21 -22.

34. Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. Определение диагностических параметров трансформатора в режиме искусственного намагничивания // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. 2008. - № 9 - 10. - С. 52 -58.

35. Комплект измерительный К540: Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3.489.012ТО.

36. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. 4.1. Машины постоянного тока. Трансформаторы. Л.: Энергия, 1972. 644 с.

37. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи. Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1977. - 272 с.

38. Методика диагностики усилия прессовки обмоток трансформатора/М.Н. Гервиц, В.Н. Осотов, Л.С. Петрищев и др. // Электрические станции. 1997. - № 5. - с.58 - 60.

39. О надежности силовых трансформаторов и автотрансформаторов электрических сетей/ Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Дементьев Ю.А. и др. // Электрические станции. 2005. - № И. - с.69 - 75.

40. О повреждении обмоток силовых трансформаторов и диагностике их геометрии методом низковольтных импульсов/ Хренников А.Ю., Рубцов A.B., Предельский В.А. и др. // Электро. 2004. - № 5. - С. 13-18.

41. Об измерениях сопротивления КЗ трансформаторов // Эксплуатационный циркуляр Ц 02 - 88(Э). Минэнерго СССР. 1988.

42. Объем и нормы испытаний электрооборудования, 6-е изд. Перераб. и доп.: РД 34.45 51.300 - 97. - М.: Изд. НЦ ЭНАС, 2001.

43. Определение деформаций обмоток крупных силовых трансформаторов/ В.В. Соколов, C.B. Цурпап, Ю.С. Конов и др. // Электрические станции. 1988. -№ 6. С.52 - 56.

44. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций/ А.И. Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьева/ Изд.2-е испр. и перераб. СПб.: БХВ -Петербург, 2005. - 768 е.: ил.

45. Оценка механического состояния обмоток крупных трансформаторов без их разборки/ Осотов В.Н., Рущинский В.Н., Рущинский В.В. и др. // Электрические станции. 2003. - № 6. - с.51 - 57.

46. Пат. 2354982 Российская Федерация. Способ диагностики магнитной системы трансформатора. / Муратаев И.А., Муратаева Г.А. заявл. 23.07.2007; опубл. 10.05.2009. - Бюл. №13

47. Переносный универсальный тиристорный преобразователь с перестраиваемой структурой / В. М. Приходько, В. И. Кранченко, А. М. Приходько // Промышленная энергетика. 1999. - № 4.

48. Переходная функция метод определения эффективности испытанийтоком короткого замыкания и диагностики изоляции на месте установки трансформатора / Christian J., Feser К., Т. Leibfried, F. Jaeggi // Elektrizitaetswirtschaft. 1999. № 7.s.40 - 44.

49. Подгорный Э.В., Хлебников С.Д. Моделирование и расчеты переходных режимов в цепях релейной защиты. Под. ред. А.Д. Дроздова. М., Энергия, 1974.- 208 с.

50. Применение метода низковольтных импульсов для диагностики состояния силовых трансформаторов/ Хренников А.Ю., Киков О.М., Передельский В.А. и др. // Энергетик. 2005. - № 9. - c.l 1 - 14.

51. Решение 2008105389/09(005841) от 02.07.09 о выдаче патента на изобретение "Способ формирования диагностического параметра при испытаниях электромагнитных преобразователей энергии"/ В.К. Козлов, И.А. Муратаев, Г.А. Муратаева; заявлено 12.02.2008.

52. Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов, 2-е издание.: Пер. с анг. -М.: ООО "Бином Пресс", 2007. - 656 е.: ил.

53. Русов В.А. Контроль прессовки обмоток и магнитопровода крупных трансформаторов по вибропараметрам // Электрические станции. 1998. - № 6.- с.52 57.

54. Стародубцев Ю.Н. Магнитные потери на вихревые токи при постоянном подмагничивании // Электричество. 1979. - № 9. - С. 75 - 76.

55. Стародубцев Ю.Н. Теория и расчет трансформаторов мощности. М.: ИП РадиоСофт, 2005. - 320 е.: ил.

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

57. Фиорилло Ф., Новиков А. А. Цифровой осциллографический метод измерения потерь в магнитных материалах // Электричество. 1991. - № 8. - с. 34

58. Хренников А. Ю. Методы низковольтных импульсов и частотного анализа для контроля механического состояния обмоток силовых трансформаторов // Электро. 2007. №2. - с. 41 - 45.

59. Хренников А.Ю., Киков О.М. Диагностика силовых трансформаторов в Самараэнерго методом низковольтных импульсов // Электрические станции. -2003.-№ 11.

60. Хренников А.Ю., Таджибаев А.И. Методы оценки состояния силовых маслонаполненных трансформаторов на основе контроля геометрии обмоток. -СПб: ПЭИПК.2005.

61. Хренников А.Ю., Шлегель O.A. Контроль изменения индуктивного сопротивления трансформатора для определения повреждений в обмотках // Энергетик. 2004. - № 2. - с.27 - 30.

62. Хренников А.Ю. Опыт обнаружения остаточных деформаций обмоток силовых трансформаторов // Энергетик. 2003. - № 7.

63. Худяков З.И. Ремонт трансформаторов: Учеб.6-е изд., перераб. И доп. -М.: Высш. шк., 1986. 232 е.: ил.