автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Оценка состояния обмоток силовых трансформаторов методом частотного анализа

На правах рукописи

ИЛЬДАРХАНОВ РАИЛЬ ГУСМАНОВИЧ

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ МЕТОДОМ ЧАСТОТНОГО АНАЛИЗА

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 ЯН0 2О11

Казань -

2010

004619264

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Усачёв Александр Евгеньевич

Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты: Афанасьев Анатолий Юьевич,

кандидат технических наук, Тюрин Александр Николаевич

Ведущая организация: Всероссийский электротехнический институт

им. В.И. Ленина (г. Москва)

Защита состоится «19» января 2011г. в 13:00 часов в аудитории Д-223 на заседании диссертационного совета Д 212.082.04 при Казанском государственном энергетическом университете по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) направлять по адресу: 420066, г. Казань-66, Красносельская ул., 51, Ученый Совет КГЭУ. Факс: (843) 5438624, 5184464.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ГОУ ВПО КГЭУ www.kgeu.ru.

Автореферат разослан «17» декабря 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.082.04 г Л

кандидат педагогических наук, профессор ¿М^^фГ.— Лопухова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Обеспечение надёжности электроснабжения потребителей, устойчивости работы электрических систем является приоритетной и актуальной проблемой электроэнергетики. Надёжная работа энергосистем неразрывно связана с надежностью силовых трансформаторов (СТ). Около 30% аварийных ситуаций с СТ связаны с разрушениями изоляции обмоток, возникающих, как правило, вследствие изменения их геометрии или межвитковых замыкании. Выявление деформаций обмоток на раннем этапе их развития позволит своевременно провести плановые ремонтно-восстановительные работы без развития системных аварий. Совершенствование существующих и разработка новых диагностических методов, позволяющих более точно и на более ранних этапах развития дефектов СТ определять их присутствие и степень развития в работающем СТ, является актуальной задачей.

Одним из признанных и эффективных методов контроля состояния СТ является метод частотного анализа (МЧА). Этот метод высокочувствителен ко всем видам деформаций обмоток. Вместе с тем, в настоящее время, с помощью МЧА невозможно определить тип повреждения обмотки СТ (витковое замыкание, деформация обмотки и т.п.), место его локализации в обмотке и степень развития. Характеристики СТ, получаемые с помощью МЧА, неудобны для хранения и обработки, поскольку представляют собой неструктурированный двумерный массив данных, что сильно затрудняет паспортизацию СТ. Кроме того, анализ состояния СТ производится по графическому представлению вышеуказанных массивов данных, в несколько этапов, с использованием методов корреляционного анализа и математической статистики, что требует высокой квалификации персонала, выдающего заключение о состоянии обмоток СТ.

Данная диссертационная работа посвящена моделированию дефектов обмотки СТ, их влиянию на частотные характеристики (ЧХ) обмоток, экспериментальному исследованию СТ с дефектами методом МЧА и является актуальной.

Цель диссертационного исследования состоит в развитии МЧА для получения возможности определения типа дефекта, локализации его в обмотке СТ и степени его развития. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

исследовать ЧХ обмоток реальных СТ с дефектами и без них; установить связь между изменениями частотных характеристик СТ в МЧА и типом дефекта, а также его локализацией и степенью развития; построить модель обмотки СТ и исследовать её ЧХ;

разработать способ, позволяющий паспортизировать результаты диагностических испытаний СТ методом частотного анализа без потери их информативности и повысить их результативность.

Методы исследования определялись характером каждой из поставленных задач и опирались на теорию электрических цепей, методы математического моделирования обмоток СТ, теорию вероятностей и спектральный анализ.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации определяется корректным применением надежных современных методов оценки состояния обмоток СТ, использованием при экспериментах поверенных приборов и откалиброванных диагностических комплексов, обработкой данных с помощью общеизвестных математических процедур и современных программных комплексов, воспроизводимостью результатов измерений и хорошим совпадением экспериментальных и теоретических значений экстремумов частотных характеристик СТ.

Научная новизна исследования заключается в следующем: построена модель обмотки низкого напряжения (НН) СТ марки ТРДН-25000/110 с учётом её реальной структуры, позволяющая установить соответствие элементов модели отдельным частям обмотки СТ и влияние изменения параметров модели на её передаточную функцию (ПФ);

построены оценочные диаграммы, раскрывающие зависимость относительного изменения частот резонансов ПФ от типа дефекта, степени его развития и локализации;

разработана методика диагностирования дефектов обмотки, позволяющая определять тип дефекта, его локализацию и степень развития;

установлены характерные изменения ПФ при витковых замыканиях обмотки высокого напряжения (ВН) на примере СТ марок ТСЗИ-2,5 и ТМ-160/10, а также их соответствие результатам исследования теоретической модели;

предложен способ, позволяющий паспортизировать результаты измерений МЧА и упростить их интерпретацию, основанный на спектральном анализе ПФ и замене квазинепрерывных ЧХ силового трансформатора дискретным набором резонансных частот (гаусс-портретом).

Практическая ценность работы определяется совершенствованием оценки состояния обмоток СТ, путём развития и углубления МЧА, получением возможности паспортизировать результаты измерений, а также упрощением их интерпретации. Это повышает достоверность диагностики состояния обмоток методом частотного анализа и позволяет более точно определять остаточный ресурс контролируемого СТ.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения: модель обмотки НН силового трансформатора марки ТРДН-25000/110 и результаты моделирования: соответствие элементов модели отдельным частям обмотки СТ, влияние изменения параметров модели на её ПФ, перечень возможных дефектов обмоток СТ и изменения элементов модели, к которым они приводят;

оценка положения резонансных частот ПФ обмотки НН силового трансформатора марки ТРДН-25000/110 в зависимости от типа дефекта, степени его развития и локализации;

методика диагностирования дефектов обмотки, позволяющая определять тип дефекта, его локализацию и степень развития;

факторы, влияющие на форму ЧХ обмоток, установленные в результате экспериментальных исследований МЧА, проведенные на CT, находящихся в эксплуатации;

набор изменений передаточных функций CT марок ТСЗИ-2,5 и ТМ-160/10, полученных экспериментально и характерных для витковых замыканий обмотки ВН, а также их соответствие результатам теоретического моделирования;

способ, позволяющий паспортизировать результаты измерений МЧА и упростить их интерпретацию, основанный на спектральном анализе ПФ и замене квазинепрерывных ЧХ силового трансформатора дискретным набором резонансных частот (гаусс-портретом).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» (Томск, 2006), III Молодежной международной научной конференции «Тинчу-ринские чтения» (Казань, 24-25 апреля 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Энергетика-2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008), Открытой молодежной научно-практической конференции предприятий энергетического кластера Республики Татарстан (Казань, 2008), Международном производственно-техническом семинаре на тему «Диагностика, испытание, эксплуатация, ремонт и модернизация энергетического оборудования» (Алма-Ата, 2010).

Личный вклад соискателя. Автором были выполнены: экспериментальные исследования МЧА, проведенные на CT, находящихся в эксплуатации; построение теоретической модели и исследование её характеристик; сравнение и анализ полученных данных, а также представление результатов исследований в виде публикаций и диссертации.

Публикации: основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, из них 3 статьи в журналах перечня ВАК, а также 1 патент на способ.

Структура работы: диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Общий объем диссертации 150 страниц, в том числе 101 рисунок и список литературы из 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе диссертации содержится общий обзор литературы, посвященной исследованию МЧА, рассматриваются применяемые на сегодняшний день методы контроля состояния обмоток CT, подробно описывается МЧА, схемы измерения по этому методу и процедура обработки результатов измерений.

Метод частотного анализа - наиболее чувствительный метод диагностики механического состояния обмоток трансформаторов. Суть метода заключается в следующем: от специального генератора на ввод обмотки (или в нейтраль) пода-

ется тестовый сигнал (импульсный или синусоидальный), а с вводов других обмоток осциллографируются отклики-реакции обмоток на воздействие тестового сигнала. Записанные осциллограммы анализируются в частотной области, например, путем быстрого преобразования Фурье. Спектры входного и выходного сигнала, полученные таким образом, являются исходными данными для вычисления ПФ, хотя в ряде случаев для анализа состояния обмотки используются как спектры, так и осциллограммы.

В основе метода лежит принцип сравнения. Критерием наличия дефекта в обмотке СТ является степень отличия между первичным и текущим измерением. Первичным является дефектографирование нового СТ после установки на рабочее место, либо обследование после капитального ремонта, в ряде случаев первичным считают предыдущее измерение. Характер изменения частотного спектра отклика зависит от типа дефекта обмотки, его локализации и степени развития. Под степенью развития дефекта понимается изменение радиуса обмотки на том или ином её участке, изменение расстояний между различными частями обмотки, а также количество короткозамкнутых витков.

При реализации данного метода могут быть использованы два подхода: импульсный и частотный. В импульсном подходе в качестве источника тестовых сигналов используется генератор низковольтных зондирующих импульсов (ЗИ). В частотном подходе в качестве источника тестовых сигналов используется генератор синусоидального напряжения, изменяющегося в широком диапазоне частот, - от нескольких Гц до нескольких МГц.

Во второй главе диссертации приводятся частотные характеристики СТ, полученные экспериментально, а также предлагается способ, позволяющий паспортизировать результаты измерений МЧА и упростить их интерпретацию, основанный на спектральном анализе ПФ и замене непрерывных ЧХ силового трансформатора дискретным набором резонансных частот - гаусс-портретом. Приведены ЧХ 18 силовых трансформаторов, в том числе 6 автотрансформаторов.

В ходе экспериментов было обследовано более ста СТ разных марок и уровней мощности. По итогам сравнительного анализа результатов измерений были выявлены основные факторы, влияющие на форму ЧХ обмоток СТ, а именно: 1) завод-изготовитель, 2) конструкция обмоток СТ, 3) история эксплуатации СТ.

Было установлено, что ЧХ трансформаторов одной марки, но разных заводов-изготовителей различаются существенным образом. Такое различие объясняется тем, что изготовители применяют разные технологии изготовления обмоток. Различия проявляются в выборе изоляционных и проводящих материалов, основных размеров СТ, в частности отношения средней длины канала между обмотками к высоте обмотки. Качество изготовления обмоток также может служить характерной особенностью того или иного завода.

Из проведённого в главе сравнительного анализа ЧХ исследованных СТ был сделан вывод, что однотипные СТ различной мощности одного и того же завода-изготовителя часто имеют более близкие ЧХ, по сравнению с СТ одина-

ЗИ-нейтраль — ВН передаточные функции

ковой мощности, но изготовленных на разных заводах. Конструкция обмотки определяет распределение частичных емкостей, индуктивностей и сопротивлений, что сказывается на форме ЧХ.

Схожесть формы ЧХ обмоток одинаковой конструкции позволяет предположить аналогичность зависимости изменения частот резонансов от типа дефекта, степени его развития и локализации, выявленные для какого-либо одного СТ определённой марки, на всю линейку мощностей трансформаторов данной марки.

В качестве иллюстрации приведены ПФ обмоток ВН автотрансформаторов производства ЗТЗ (рис. 1).

Основным критерием, устанавливающим сходство ЧХ, является количество резонансов в заданном диапазоне частот. Частотные характеристики СТ состоят из набора резонансов и для определения их количества необходимо предварительно определить их частоты. Сделать это, используя непосред-

Рис. 1. ПФ обмоток ВН автотрансформаторов АОДЦТН-167000/500/220 ЗТЗ. а - зав.№78007 1970г.в., 5-зав.№78006 1970г.в.: в - зав.№97 1997г.в., г - спектр ЗИ (амплитуда уменьшена в 30 раз).

ственно исходную кривую, затруднительно, поскольку при определении её формы полагаться только на визуальную оценку некорректно. Применение первой/ и второй производной /' исходного графика дает более достоверную информацию о резонансных частотах исследуемой ЧХ.

Как упоминалось выше, МЧА является сравнительным, поэтому для СТ необходимо иметь эталонные ЧХ обмоток, полученные на этапе приёмосдаточных испытаний. Хранение эталонных ЧХ обмоток в виде двумерной кривой на бумажном носителе делает корректное сравнение текущей и первичной кривых практически невозможным.

Для решения данной проблемы в диссертации предлагается перейти от непрерывного частотного спектра к линейчатому путём аппроксимации исходной ЧХ формулами распределения Гаусса или Лоренца. Получаемая при этом таблица, содержащая в себе данные о количестве резонансов и их параметрах (часто-

та, амплитуда, полная ширина на половине высоты (ГШШВ)), называется гаусс-или лоренц-портретом соответственно.

Применение гаусс- и лоренц-портретов, подробно рассмотренное в диссертации, позволяет избежать сравнительного анализа двумерных кривых и перейти к анализу параметров линейчатого спектра, имеющего конечное число анализируемых частот. В итоге, анализ сводится к сравнению численных величин. Это не только упрощает процедуру анализа, но и позволяет паспортизировать эти значения при приемо-сдаточных испытаниях СТ. Аналогичным образом можно проводить анализ на основе построения лоренц-портретов.

В ходе экспериментальных исследований было установлено влияние вит-ковых замыканий на ПФ обмоток на примере СТ марок ТСЗИ-2,5 и ТМ-160/10. Применение гаусс-портретов сохраняет все характерные изменения частотных характеристик СТ при витковых замыканиях, что позволяет применять их для оценки состояния обмоток. При этом близкорасположенные резонансы разных амплитуд снижают точность построения гаусс-портрета. Это объясняется тем, что разность частот между такими резонансами меньше их ГШШВ, т.е.:

У><Гх)>Уг~Ь\ т

МГг)>Уг-Гх) (>

При выполнении неравенств (1) соседние резонансы гаусс-портрета сливаются в один и становятся неразличимы. Это необходимо учитывать при проведении анализа.

В третьей главе диссертации построена теоретическая модель обмотки НН трансформатора марки ТРДН-25000/110; составлена таблица соответствия типов дефектов обмоток и изменений элементов модели, а также таблица, раскрывающая влияние каждого элемента модели на её ПФ; построены оценочные диаграммы, раскрывающие зависимость величины относительного изменения частот резонансов ПФ от степени развития дефекта; описана методика диагностирования дефектов обмотки, проведён анализ полученных результатов.

Моделирование обмотки производилось в программной среде МиН'шт, предназначенной для построения и исследования электрических схем. В главе 3

показана обоснованность применения данной программы для расчёта ЧХ обмоток СТ. За основу схемы замещения (СЗ) обмотки взята цепная схема, широко распространённая в теории электрических цепей и технике высоких напряжений для расчёта обмоток электрических машин при высокой частоте. Расчёт значений элементов СЗ, а также выбор её топологии произведён с учётом реальной структуры единичного элемента обмотки, обмотки и её геометрических размеров. При

этом единичный элемент обмотки замещается схемой, показанной на рис. 2, где Я - омическое сопротивление, Ь - полная индуктивность, Су - продольная (межкатушечная) емкость, Cg - емкость на землю. СЗ обмотки аналогична неоднородной длинной линии с распределёнными пара-

о

Я £

т

Рис. 2. Схема замещения

метрами. Неоднородность обусловлена неравномерностью распределения частичных индуктивностей и емкостей по длине обмотки.

В работе показано, что за единичный элемент СЗ можно принять группу катушек обмотки, имеющих одинаковое количество витков и разделенных одинаковыми межкатушечными каналами. Кроме того, в схеме учтены контуры, замещающие отводы начала и конца обмотки, а также участки провода между катушками. Итоговая СЗ показана на рис. 3.

О! I ГО-2 (14 2 05-2 (КЗ

Нахождение значений элементов схемы по заданной ПФ очень сложно выполнить аналитически. Уравнения для вычисления ПФ СЗ обмотки содержат множество независимых переменных, число которых равно числу элементов в схеме, поэтому целесообразнее найти значения элементов путем подбора, сравнивая экспериментальную ПФ обмотки с ПФ исследуемой СЗ. Это позволяет также выяснить степень и характер влияния каждого элемента схемы на её ПФ.

Для подбора значений была построена таблица 1, где в каждой ячейке указывались степень и характер влияния соответствующего элемента на ПФ (амплитуду и частоту какого-либо резонанса), определяемые путем применения прямого моделирования методом Монте-Карло для каждого элемента схемы, когда значения исследуемого элемента изменяются в заданном диапазоне, а все остальные элементы схемы имеют фиксированное значение.

Таблица подбора значений элементов схемы по рис.3 (фрагмент) Таблица 1

... ... ... ... ... ... ... ... ... - ... ... ...

5-2 А Оа А а ЧА: АА ЧА АА ОА ЧА А ЧАА А Ча а А А

5-1 а. О А ЧА АА ЧА АА ЧА А ЧА А ЧА А Ч а А

... ... — ; ... ... — — ... ... ... ...

/ я, Сг, А Я ■он д с* Ос, Сг, К Сг, К Сг; Д С* Л Сг, А

№ рею ианса 1 3 '4:4'':'' 5 6 7 8 9 10 11

1 ц с«, и С», ц Сй, - и ■ с«, А с* се, и ц с» и С»

... — — ... ... ... ... — ... — ... ... ... ... ... ... ...

5-1 Ча Ча а а ЧА ОА Ча а ЧА а ЧА Ча ЧА- а Оа ЧА а А а

5-2 Оа ЧА А -ЧА ЧА ОА ОА ЧА ЧА ЧА а Ча ЧА а А а А

... ... ... ...

Условные обозначения, принятые в таблице 1:

9

а - слабое влияние на амплитуду;

А - умеренное влияние на амплитуду;

АА - сильное влияние на амплитуду;

О - слабое влияние на частоту (А/< 2 кГц);

Ч - умеренное влияние на частоту (2 < Д/< 5 кГц);

ЧЧ - сильное влияние на частоту (Д/ > 5 кГц).

Значения Д/ определялись экспериментально в ходе исследования теоретической модели обмотки СТ. Табл. 1 состоит из строки с номерами резонансов, указанными на рис. 4, верхней и нижней части. В столбцах верхней части расположены элементы Ci, и R„ в столбцах нижней - элементы L, и Cg„ где /' - номера элементов, расположенные в левом столбце таблицы. Для определения набора элементов, влияющих на тот или иной резонанс, необходимо выбрать столбцы Csh Rj, Lj и Cgh соответствующие искомому резонансу, и найти заполненные ячейки. Заголовок столбца укажет тип элемента, заголовок строки - номер элемента данного типа (левый столбец с номерами таблицы), содержание ячейки отображает характер и степень влияния данного элемента на выбранный резонанс исследуемой ПФ.

Передаточная функция СТ, полученная в ходе экспериментальных измерений, интерполирована кубическими сплайнами для того, чтобы количество точек экспериментальной кривой и кривых,

полученных при моделировании, было одинаковым. Передаточная функция СЗ состоит из резонансов, обладающих сравнительно малой ПШПВ, следовательно, контур схемы, соответствующий данному резонансу, обладает сравнительно высокой добротностью. Это объясняется малым сопротивлением обмотки НН. В то же время резонансы экспериментальной кривой (рис. 4) обладают большей ПШПВ, что говорит о том, что они состоят из нескольких близко расположенных частотных составляющих.

m

Частотные характеристики

JLSii^xj^^

'.•.мама нет jmooo' «даоо sosao» е»»м тасооа жох .»«хю/Мфоо

/.Гц

Рис. 4. Сравнение экспериментальной и теоретических ПФ. а - экспериментальная кривая, б - ПФ схемы замещения (частотный подход), в - ПФ схемы замещения (импульсный подход), г - спектр ЗИ (амплитуда увеличена в 25 раз).

Данный факт обусловлен тем, что провод обмотки состоит из восьми параллельных проводников, изолированных друг от друга. Исходя из вышесказанного, следует расщепить контуры, соответствующие обмотке СТ на восемь параллельных контуров для увеличения количества близко расположенных резо-нансов и сравнить результаты моделирования. Однако данная процедура приведёт к увеличению количества резонансов, что сильно усложнит анализ кривой ПФ. Для упрощения данной задачи контуры №№2, 3, 4, 5, 6 расщеплены на два параллельных контура (рис. 3).

Изучив соотношения сопротивлений различных контуров схемы, можно установить соответствие контуров схемы замещения с отдельными частями обмотки:

- контуры 1 и 7 эквивалентны отводам начала и конца обмотки соответственно;

- контур 2 - группе элементов типа 1 (2 катушки £>);

- контур 3 - группе элементов типа 4 (34 катушки Е, с каналами по 4 мм);

- контур 4 - группе элементов типа 2 (2 катушки С);

- контур 5 - группе элементов типа 3 (6 катушек Е, с каналами по 6 мм);

- контур 6 соответствует участкам провода между катушками обмотки.

При исследовании СЗ с помощью ЗИ, аналогичных тем, что были использованы при экспериментальных измерениях, можно выявить отличия амплитуд ПФ, полученных с использованием разных подходов. Данные отличия вызваны неравномерностью амплитуды спектра ЗИ в рассматриваемом диапазоне частот. В то же время применение того или иного подхода при измерениях не приводит к изменениям частот резонансов получаемых ПФ, поэтому в работе основное внимание уделено изменению данных параметров.

Для определения влияния тех или иных дефектов обмотки на изменение значений элементов СЗ была выявлена зависимость их изменения от степени деформации обмотки, т.е. изменения её геометрических параметров. Методика расчёта данной зависимости подробно описана в диссертации. На основе расчёта изменений значений элементов СЗ, установлена зависимость между относительным изменением частот резонансов ПФ и типом дефекта, а также степенью его развития и локализацией в обмотке.

По итогам расчёта изменений элементов СЗ, построены графики, отражающие относительное изменение значения того или иного элемента в зависимости от степени деформации, для каждого вида дефекта. Результаты сведены в таблицу, устанавливающую соответствие между типом дефекта, его локализацией и значениями изменений элементов СЗ.

Для выявления зависимости изменения частот резонансов ПФ от степени развития дефекта, рассчитанные значения ¿, Cg и С? были подставлены в исходную СЗ, получены соответствующие ПФ и рассчитаны величины относительного изменения частоты каждого резонанса по формуле:

А. _ г«

=+1—М-.\00% (2)

8/* - относительное изменение частоты ¿-го резонанса, %;

- частота г-го резонанса при дефекте обмотки, Гц;

- исходная частота /-го резонанса (без дефектов), Гц;

Используя полученные значения, построены оценочные диаграммы изменения частот резонансов ПФ для каждого вида дефекта. Для построения диаграмм использовались значения параметров схемы для наименьшего масштаба развития дефекта (5,56% длины окружности обмотки).

В модели обмотки НН принято допущение о независимости относительной диэлектрической и магнитной проницаемости от частоты. Правомерность такого допущения подтверждается хорошим совпадением теоретической и экспериментальной ПФ. Зависимость диэлектрической проницаемости изоляции от температуры учтена в методике диагностирования дефектов обмотки. В работе рассмотрено проявление волновых свойств обмотки на высоких частотах.

Для определения наличия дефекта обмотки, а также его типа, локализации и степени развития необходимо в качестве исходных данных иметь две ПФ -первичную и текущую. При этом измерения ПФ должны производиться на предварительно размагниченном СТ, а также при одинаковой температуре масла, определяемой по термосигнализатору, установленному на баке СТ. Методика диагностирования дефектов обмотки выглядит следующим образом:

1. Определить частоты резонансов первичной и текущей ПФ, применяя расчёт второй производной и способ гаусс-портретов;

2. Определить номера резонансов, частоты которых изменились при повторном измерении;

3. По номерам резонансов определить варианты локализации и типа дефекта в обмотке;

4. Вычислить относительное изменение частот Ь{ всех резонансов по формуле (2);

5. Пользуясь оценочными диаграммами изменения частот резонансов ПФ, соотнести варианты локализации и типа дефекта в обмотке со значениями всех резонансов и выбрать тип и локализацию дефекта;

6. По значениям 5/ определить степень развития дефекта.

7. В случае, когда степень развития дефекта превышает значения, указанные в диаграммах, делается вывод о наличии опасного дефекта обмотки и выдается рекомендация на проведение ремонта СТ со вскрытием.

На рис. 5 цифрами от 1 до 11 указаны номера резонансов ПФ. По оси абсцисс отложено количество замкнутых витков. Горизонтальными линиями указана граница чувствительности смещения резонанса кривой, равная 2 кГц в абсолютной величине. Относительная величина чувствительности уменьшается с ростом частоты, в связи с тем, что исходная частота резонанса увеличивается с ростом его номера. Величина 2 кГц - минимальное значение изменения частоты, которое можно определить визуально на ПФ в диапазоне 0-1 МГц.

&/;/, % 5 .0% т 4.5% 4.0% -.1.5% -3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% -■ 0.0%

Замыкание 1 витка катушки Е с каналами 6 мм 3

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 В замыкание 1 витка —погрешность

0 1 0 1 0 1 число замкнутых витков

ПФ схемы замещения с дефектом и без него приведены на рис. 6. Там же указаны номера резонансов, частоты которых подверглись изменению, под номером резонанса указано относительное изменение частоты в процентах. Пользуясь методикой, приведён-

КЗ одного витка в катушках Е с каналам» 6 мм. Передаточные функции

Рис. 5, Диаграмма относительного изменения частот резонансов ПФ обмотки НН при замыкании 1 витка в катушках Е с каналами 6 мм.

ной выше, определим тип, локализацию и степень развития дефекта. При повторном измерении изменились резонансы №1,2, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Согласно

табл. 1 наибольшее количество ячеек таблицы, содержащих умеренное и сильное влияние по частоте для данного набора резонансов соответствует элементам контура 5, которому соответствует участок обмотки, состоящий из 6 катушек Е, разделенных каналами по 6 мм. Исходя из оценочных диаграмм изменения

частот резонансов ПФ, дефект соответствует витковому замыканию. Согласно значениям степень развития дефекта соответствует 1 витку. Итоговое заключение: в обмотке НН в районе катушек Е, разделенных каналами по 6 мм, произошло витковое замыкание 1 витка обмотки. Таким образом, сравнивая ПФ силового трансформатора ТРДН-25000/110, полученные в разное время, можно

\0.92%2.09%

■4.8Е+05 6.0Е+05 7.1Е+05 8.3Е+05

-исправныйСТ -—КЗбхЕ ]

9.4Е+05 /,ГЦ

Рис. 6. ПФ схемы замещения обмотки НН без дефектов, а также при замыкании 1 витка в катушках Е с каналами 6 мм.

не только определить наличие дефекта в обмотке, но и его тип, локализацию, а также степень его развития.

Возвращаясь к результатам исследования ПФ СТ с витковыми замыканиями, необходимо отметить соответствие результатов моделирования с результатами экспериментальных измерений. Конструктивно обмотки СТ разных марок отличаются друг от друга. Однако во всех случаях витковое замыкание обмотки приводит к увеличению амплитуды и частоты резонансов ПФ.Это значит, что характер изменений ПФ будет одинаковым при сохранении набора резонансов, присущих каждому типу СТ. Следовательно, результаты моделирования подтверждаются результатами экспериментальных исследований, что говорит о корректности построенной модели и целесообразности её применения для оценки состояния обмоток НН трансформаторов марки ТРДН-25000/110, а также возможности использования предлагаемой методики построения модели для обмоток СТ других типов.

В приложении приводятся расчёт геометрических изменений катушек при скручивании обмотки, графики зависимости изменения значения элементов СЗ от степени деформации, а также оценочные диаграммы, раскрывающие зависимость относительного изменения частот резонансов ПФ от степени развития дефекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе выполнены экспериментальные и теоретические исследования ЧХ обмоток СТ. Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Построена модель обмотки НН силового трансформатора марки ТРДН-25000/110 с учётом реальной структуры обмотки, позволяющая определять тип дефекта обмотки, его локализацию и степень развития. Приведён перечень возможных дефектов обмоток СТ с указанием элементов, изменяющихся при соответствующем дефекте. Составлена таблица соответствия, раскрывающая степень и характер влияния элементов схемы замещения на изменения ее ПФ. Таким образом, выявлена зависимость между изменениями ПФ и типом дефекта, его локализацией и степенью развития в обмотке СТ. Результаты моделирования подтверждаются результатами экспериментальных исследований, что говорит о корректности построенной модели и целесообразности её применения для оценки состояния обмоток НН трансформаторов марки ТРДН-25000/110, а также возможности использования предлагаемой методики построения модели для обмоток СТ других типов.

2. Проведена оценка положения резонансных частот ПФ обмотки НН силового трансформатора марки ТРДН-25000/110 в зависимости от типа дефекта, степени его развития и локализации. Построены оценочные диаграммы, раскрывающие зависимость относительного изменения частот резонансов ПФ от степени развития дефекта.

3. Разработана методика диагностирования дефектов обмотки, позволяющая определять тип дефекта обмотки, его локализацию и степень развития. В

методике определены допустимые границы деформаций, что позволяет выявлять опасные стадии развития дефектов и выдавать соответствующие рекомендации.

4. Установлены характерные изменения ПФ при витковых замыканиях обмотки ВН на примере СТ марок ТСЗИ-2,5 и ТМ-160/10, а также их соответствие результатам исследования теоретической модели.

5. Предложен способ, позволяющий паспортизировать результаты измерений МЧА и упростить их интерпретацию, основанный на спектральном анализе ПФ и замене квазинепрерывных ЧХ силового трансформатора дискретным набором резонансных частот (гаусс-портретом). Показано, что применение данного способа целесообразно для контроля состояния обмоток СТ, так как сохраняет все характерные изменения исходных кривых и обладает рядом ■ преимуществ: упрощение анализа частотных характеристик СТ, возможность паспортизации частотных характеристик СТ, углубление МЧА, простота построения кривой из линейчатого спектра без потери её наглядности и возможности визуального сравнения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. З.А. Баширов, С.Р. Каминский, Э.Ю. Абдуллазянов, Р.Г. Ильдарханов. Способ определения мест повреждений линий электропередач распределительных сетей. Патент РФ №2292559 от 25 августа 2005 г., С0Ж31/11.

2. Ильдарханов Р.Г. Поиск места повреждений в распределительных сетях // Научная студенческая конференция, посвященная «Дню энергетика»: Казань, 6-10 декабря 2005 года: Тезисы докладов. Казань, Казан, гос. энерг. ун-т, 2005.

3. Ильдарханов Р.Г. Метод определения мест повреждений в линиях электропередачи // «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Тезисы докладов XVII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции Казань, изд-во КВАКУ(ВИ), 2005.

4. Ильдарханов Р.Г. Спектральный метод определения мест повреждений в линиях электропередач // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани, 10-11 ноября 2005 года: материалы конференции. Том IV. Казань: Изд-во Казан.гос.техн.ун-та. 2005. 151 с.

5. Ильдарханов Р.Г. Способ дистанционного определения места повреждения в разветвленной электрической сети // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. - М.: МЭИ, 2006. Т. 3. - 480 с.

6. Ильдарханов Р.Г. Совместное применение локационного метода диагностики линий электропередач и частотного метода диагностики трансформаторов для дистанционной диагностики оборудования электрических сетей // Всероссийская конференция - конкурс инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбере-

жение», 26 - 29 сентября 2006 г. Труды конференции. - Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2006. - 474 с.

7. Ильдарханов Р.Г. Моделирование частотного способа дистанционного определения места повреждения в разветвленной линии электропередач в среде Matlab // Материалы докладов первой Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под. общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко, В 2 т.; Т. 2. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2006.-252 с.

8. Ильдарханов Р.Г. Программно-аппаратный комплекс по диагностике линий электропередач и силовых трансформаторов // Актуальные проблемы городского хозяйства и социальной сферы города. Материалы научно-практической конференции студентов и аспирантов. Казань: Изд-во «Отечество», 14-15 декабря 2007 г,

9. Ильдарханов Р.Г. Исследование геометрии обмоток силовых трансформаторов с искусственно внесенными дефектами // Материалы докладов III молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» посвященной 40-летию КГЭУ / Под. общ. ред. д-ра физ-мат наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. в 4 т.; Т. 1. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2008. - 216 с.

10. Усачев А.Е., Ильдарханов Р.Г., Чубуков М.В. Оценка степени деформации обмоток силовых трансформаторов методом низковольтных импульсов // Материалы докладов Международной научно-технической конференции «Энер-гетика-2008: инновации, решения, перспективы» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю. Я. Петрушенко. В 5 кн.; Кн. 2 «Электроэнергетика и электроника». - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2008. - 162 с.

11. Р.Г. Ильдарханов. Диагностирование дефектов обмоток силовых трансформаторов методом низковольтных импульсов // Энергетика Татарстана №1(13), 2009, с. 69-72.

В журналах по списку ВАК:

1. Усачев А.Е., Ильдарханов Р.Г. Дистанционная диагностика состояния силовых трансформаторов на основе исследования их частотных характеристик // Известия ВУЗ. Проблемы энергетики № 5-6,2007. с. 29-34.

2. Р.Г. Ильдарханов, А.Е.Усачев. Контроль состояния обмоток силовых трансформаторов путём спектрального анализа передаточных функций // Известия ВУЗ. Проблемы энергетики №3-4, 2010. с. 38-47.

3. Р.Г. Ильдарханов. Математическая модель обмотки трансформатора ТРДН-25000/110//ЭнергетикаТатарстана№3(19), 2010. с. 60-66.

Подписано в печать 15.12.2010 г. Форм. бум. 60x84 1/16. Печ. л. 1. Тираж 120. Заказ № 288.

Изготовлено в полиграфическом центре «Отечество» 420126, г.Казань, ул.Чистопольская, д.27а