автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности функциональной диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой

На правах рукописи

Андреев Константин Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПОД НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.09.03- Элеиротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук ^ д^ 2Ц|3

Тула-2013

005542862

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (ТулГУ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Горелов Юрий Иосифович

Официальные оппоненты: -доктор технических наук, профессор,

Панарин Владимир Михайлович ФГБОУ ВПО «ТулГУ», профессор,

-кандидат технических наук,

Фомин Андрей Васильевич

ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ», технический

руководитель проектов

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится «23» декабря 2013г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.271.12 при Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г.Тула, пр. Ленина, 92, ауд.гл-005.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.271.12, д.т.н., профессор

М.Ю. Елагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Анализ старения энергетического оборудования показывает, что уровень износа основных фондов в Федеральной сетевой компании в настоящий момент приближается к 70 %. Нормативный срок выработало 52% оборудования, а 7,4 % -дважды отработало этот срок. Из них износ силовых трансформаторов составляет 63 %. Стоимость замены оборудования на новое, составляет около 10 млрд. долларов. Чрезмерный износ оборудования приводит к снижению надежности электроснабжения, потери электроэнергии в системах. Поэтому мониторинг, диагностика и своевременный ремонт электросетевого хозяйства России, а именно силовых трансформаторов, - одна из первоочередных задач энергетической отрасли. Наиболее повреждаемые элементы конструкции силового трансформатора, согласно открытых источников, являются обмотки и их изоляция. На них приходится 44% всех повреждений. Они же относятся и к наиболее опасным и тяжелым последствиям для силового трансформатора.

Значительный вклад в разработку методов и средств мониторинга и диагностики силовых трансформаторов внесли работы Аксенова Ю.П., Аракеляна В.Г., Гольдштейна В.Г., Гречко О.Н., Киреевой Э.А., Кудратиллаева A.C., Лукьянова М.М., Русова В.А., Сви П.М., Харисова Э.А., Хренникова А.Ю.

В настоящее время наиболее удачны и успешно применяются системы диагностики и мониторинга следующих компаний: «Диагностика+» ИГЭУ (Россия); ABB «Secheron» (Швейцария); TRAS (США); TDM «Вибро-центр» (Россия). В СНГ так же проводят исследования и внедряют разработки в жизнь следующие исследовательские центры: ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» (ранее НИЦ ВВА), Новочеркасский ГТУ, НИЦ «ЗТЗ-Сервис» (г. Запорожье).

Но существующие методы, производящие диагностику на работающем трансформаторе (метод частичных разрядов, инфракрасная диагностика), не позволяют в целом оценить техническое состояние отдельных его элементов, что снижает количественную и качественную оценку технического состояния трансформатора в целом. Отсюда можно сделать вывод, что диагностические параметры состояния силового трансформатора такие как активные, индуктивные и емкостные сопротивления обмоток, недостаточно изучены и мало используются.

Поэтому, комплексный учет факторов изменения температуры масла, переходных электромагнитных и электромеханических процессов, гармонических составляющих тока и напряжения, активного, индуктивного и емкостного сопротивления, закономерностей, влияющих на электротехнические элементы силового трансформатора под нагрузкой и прогнозирование на основе схем замещения в контрольных точках, является актуальной научной задачей.

Цель выполнения диссертационной работы: повышение эффективности экспресс диагностики силовых трансформаторов под нагрузкой путем обоснования структуры и рациональных параметров новых технических решений устройств диагностики, учитывающих в комплексе факторы изменения температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное,

з

индуктивное и емкостное сопротивления электротехнических элементов силового трансформатора.

Задачи исследования:

1) анализ технических средств функциональной диагностики силовых трансформаторов, методов расчета параметров и прогнозирования их технического состояния;

2) разработка математических моделей совмещения устройств функциональной диагностики с электротехническими элементами силового трансформатора под нагрузкой в точках измерений на основе схем замещений, выполненных в различных конструктивных исполнениях, учитывающих в комплексе факторы изменения температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное, индуктивное и емкостное сопротивления электротехнических элементов силового трансформатора, для прогнозирования технического состояния;

3) оценка влияния внутренних и внешних факторов на формирование динамики активного, индуктивного и емкостного сопротивлений электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой;

4) исследование математических моделей устройств функциональной диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой, для определения и обоснования рациональных параметров, позволяющих осуществлять прогноз технического состояния трансформатора с высокой степенью достоверности;

5) определение уровня надежности системы и условий ее реализуемости, а так же разработка методики определения рациональных параметров по критерию надежности;

6) разработка физических моделей на основе схем замещения для проведения экспериментальных исследований для проверки адекватности полученных моделей и зависимостей, а так же изучение практической функциональной диагностики электротехнических элементов.

Идея работы заключается в обеспечении требуемого уровня совместимости электротехнических устройств функциональной диагностики с электротехническими элементами силового трансформатора под нагрузкой в точках измерений на основе контроля динамики активного, индуктивного и емкостного сопротивлений электротехнических элементов силового трансформатора и определения рациональных параметров новых технических решений устройств диагностики по критерию надежности.

Объект исследования: силовой трансформатор под нагрузкой, как основной элемент электротехнического комплекса.

Предмет исследования: деградационные процессы электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы электромеханики и теоретических основ электротехники, численные методы, методы математической статистики, теория тепловых процессов и тепломассопереноса, теория надежности технических систем, экстраполяционные методы прогнозирования, планирование эксперимента, методы оптимизации,

4

программирование в системе МАТЬАВ. Проверка теоретических результатов осуществлялась путем проведения численных и натурных экспериментов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) математические модели электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой на основе схем замещения в контрольных точках, позволяющие учесть отклонения от нормального состояния на основе учета изменения активного, индуктивного емкостного сопротивлений, путем измерения мгновенных значений тока и напряжений и зависимости для определения их рациональных параметров;

2) методика экспресс диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой на основе динамики активного, индуктивного емкостного сопротивлений через измерение мгновенных значений тока и напряжений;

3) установлены зависимости для прогнозирования состояния электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой по критерию надежности на основе рациональных параметров схем замещений новых устройств в местах совмещения.

Научная новизна заключается в обосновании рациональных параметров электротехнических устройств диагностики и обеспечения требуемого уровня совмещения с электротехническими элементами силовых трансформаторов под нагрузкой:

1) получены аналитические зависимости на основе анализа схем замещения для расчета рациональных параметров электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой учитывающие в комплексе такие факторы как, изменяющаяся температура масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное, индуктивное, емкостное сопротивления, основанные на измерении мгновенных величин тока и напряжении;

2) установлены зависимости состояния электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой от динамики активных, индуктивных и емкостных составляющих их полных сопротивлений при влиянии технологических и эксплуатационных факторов, таких как конструктивные особенности, изменение температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения;

3) разработана методика прогнозирования состояния электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой путем аппроксимации динамики активных, индуктивных и емкостных составляющих их полных сопротивлений экстраполяционными степенными полиномами, позволяющая выявить зарождение и развитие дефектов;

4) структурные и рациональные параметры электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой в точках совмещения, учитывающие изменяющуюся температуру масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения.

Научная новизна основных положений подтверждена патентами РФ на полезную модель № 105536, № Ю8855.

Достоверность научных положений.

Основные научные . положения и выводы основываются на фундаментальных положениях общей теории электротехники и математики, адекватностью теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составило 9,5%, что подтверждает их удовлетворительную сходимость, практическим применением результатов работы в производстве.

Практическая значимость.

На основе проведенных исследований разработана методика экспериментального исследования состояния обмоток и их изоляции силовых трансформаторов любого конструктивного исполнения под нагрузкой, а так же определения рациональных параметров устройств диагностики и их подключения, методика определения и прогнозирования технического состояния элементов силового трансформатора.

Реализация результатов работы. Результаты были использованы:

1) в части диагностирования, оценки ресурса и прогнозирования технического состояния элементов силовых трансформаторов с помощью разработанных устройств в Группе компаний «Стройэкспертиза» с годовым экономическим эффектом 44 тыс.руб. на трансформатор 1000 кВА;

2) использование в учебном процессе. Теоретические результаты данной работы были использованы при разработке курсов лекций и комплексов лабораторных работ по дисциплинам: «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Основы проектирования электроэнергетических систем», «Электроснабжение промышленных предприятий».

Апробация работы. Результаты данной диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: IV, V, VI, VII Магистерская научно - техническая конференции Тульского государственного университета, Тула, 2009-2012; V Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика», Москва, 2010; III Всероссийская научно-техническая конференция «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», Уфа, 2011; XII Международная научно-практическая конференция «Проблемы энергосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах», Пенза, 2011; II Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах», Пенза, 2011; V, VI молодежная научно-практическая конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации», Тула, 2011-2012; ХЫ Всероссийская научно-практическая конференция (с Международным участием) «Федоровские чтения 2011», Москва, 2011; Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение-2011», Тула, 2011.

Публикации. По результатам работы было опубликовано 18 работ, из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено 2 патента на полезную модель № 105536, № 108855.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование и приложения с результатами внедрения. Общий объем составляет 144 страницы, содержит 33 иллюстрации и 13 таблиц.

Автор выражает благодарности заведующему кафедрой «Электроэнергетика» Тульского государственного университета, доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу и доценту кафедры «Электроэнергетика» Тульского государственного университета, кандидату технических наук, доценту Горелову Юрию Иосифовичу за научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность научно-технической задачи, сформирована цель диссертации, сформулированы задачи, решению которых посвящена диссертация, излагаются подход и методы исследования, отмечаются научная новизна, практическая значимость работы, а также апробация работы, приведена структура диссертации.

В первой главе проведен анализ эксплуатационной надежности электрооборудования, методы функциональной диагностики, рассматриваются основные виды повреждений, их признаки, возможные причины,

существующие способы выявления повреждений. Установлено, что основным электротехническим элементом силового трансформатора, наиболее подверженным многочисленным агрессивным фактором и определяющим его ресурс, являются обмотки и изоляция. Приведен подробный анализ существующих методов и средств мониторинга и диагностики, который показал, что они не позволяют с необходимой достоверностью анализировать состояние ключевых элементов трансформаторов, имеют высокую стоимость и не учитывают в достаточном объеме условия работы электрооборудования и многочисленные воздействующие эксплуатационные факторы.

Приведена классификация дефектов электротехнических элементов силового трансформатора с сортировкой по узлам конструкции, указаны причины их возникновений и к каким последствиям это приводит, а так же существующие методы и средства их диагностирования

Сделан вывод о том, что в настоящее время уществующие методы, производящие диагностику на работающем трансформаторе (метод частичных разрядов, инфракрасная диагностика), не позволяют в целом оценить техническое состояние отдельных его элементов, что снижает количественную и качественную оценку технического состояния трансформатора в целом. Отсюда можно сделать вывод, что диагностические параметры состояния силового трансформатора такие как активные, индуктивные и емкостные сопротивления обмоток, недостаточно изучены и мало используются..

Во второй главе для повышения эффективности устройств диагностики состояния электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой, обоснованы их схемы замещения с учетом процессов, происходящих при изменении степени полимеризации изоляции обмоток и температуры масла, позволяющие определить зарождение или наличие повреждений в электротехнических элементах силового трансформатора под нагрузкой.

7

Представлен расчет средней температуры масла и ее влияние на активное сопротивление обмотки.

Электростатические и электромагнитные параметры электротехнических элементов силового трансформатора, таких как активная R(t), индуктивная L(t) и емкостного C(t) составляющие их полного сопротивления Z(t) характеризуют его состояние в момент времени t. Динамика этих составляющих позволяет судить о нормальном или анормальном состоянии электротехнических элементов силового трансформатора, так тенденция к увеличению активной составляющей R(t) полного сопротивления трансформатора Z(t) говорит о загрязнении контактных соединений его проводников. Уменьшение R(t) - о межвитковых замыканиях. Тенденция к увеличению или уменьшению индуктивной составляющей L(t) характеризует анормальность его магнитной системы, деформации обмоток, «пожар в стали». Тенденция к увеличению/уменьшению C(t) на основании формулы Кале-Кале:

Й2

<к

к1'£ар + (1-к^-£Ыг1 (1) где, А-площадь поверхности; с^-толщина масленого слоя изоляции; толщина бумажного слоя изоляции; кгкоэф. средней площади; £рЬ-диэлектрическая проницаемость бумажного слоя изоляции; ^-диэлектрическая проницаемость межизоляционного слоя; еоЕг-диэлектрическая проницаемость масленого слоя изоляции. Это позволяет судить о состоянии изоляции обмток. Это можно представить в таблице (табл.1).

Таблица 1

№ Отклоняющийся параметр Направление изменения Наименование дефекта

1 RI, R2 уменьшение межвитковое замыкание

2 L1.L2 увеличение, уменьшение деформация обмоток

3 RI, R2 увеличение ухудшение контактных соединений

4 Cl увеличение разрушение изоляции, изм. свойств масла

R(t), L(t), C(t) не поддаются непосредственному измерению под нагрузкой, однако анализ схем замещения позволяет получить зависимости, связывающие эти параметры с измеряемыми значениями тока и напряжения в доступных точках измерений силового трансформатора под нагрузкой.

На основе анализа Г-образной (рис.1) и Т-образной (рис.2) схем замещений в нормальном режиме силового трансформатора, представлена Г-образная схема замещения в анормальных режимах (рис. 3). Описаны процессы, происходящие при разрушении элементов силового трансформатора (обмотки, изоляции и т.д.) и определены соответствующие расчетные зависимости.

На рис. 1 отображены следующие элементы: первичная обмотка: Ri -активное сопротивление; Xi - индуктивное сопротивление рассеяния; ветвь намагничивания: Ro - активное нелинейное сопротивление; Хо - индуктивное нелинейное сопротивление рассеяния; i-ая обмотка, где i = 1..М: R'2., -приведенное к первичной цепи активное сопротивление; Х'2., - приведенное к

первичной цепи индуктивное сопротивление рассеяния; М - число вторичных обмоток; 2'н_,— сопротивление нагрузки ¡-й обмотки, приведенное к первичной цепи, и - внутренние сопротивления амперметра и вольтметра.

и.,(О

Рис. 1. Г-образная схема замещения

Рис. 2. Т-образная схема замещения

«■С«'«

Рис. 3. Схема замещения трансформатора с поврежденной обмоткой Откуда на основании методов ТОЭ получим:

_ чхгСЧ.)

Нг ~ л,-

12

с, =

' Ф2)

(2)

(3)

(4)

Напряжения и токи, в представленных формулах, приведены к номинальной частоте и первичной цепи, т.к. схемы замещения адекватны при отсутствии высших гармоник.

Для учета воздействия многочисленных внешних воздействий (колебания нагрузки, изменения окружающей температуры) учтем изменения активного сопротивления обмотки Я через изменение температуры трансформаторного масла:

^Ян+Кн-аСТор-Тн) (5)

где Кср — сопротивление обмотки при средней температуре Тср (определяется расчетным путем); Рм, - номинальное сопротивление проводника при температуре Т„ (определяется по паспорту на оборудование, обычно при 20°С); а — температурный коэффициент металла, из которого проводник сделан.

В случае отсутствия датчиков температуры трансформаторного масла на выходе, расчет Тср для уточнения сопротивления обмотки, ведется согласно МЭК.

При наличии датчиков температуры трансформаторного масла на входе Твх и выходе Твых для определения Тср требуется знание значения температура масла в наиболее нагретой точки обмотки Тшгт (расчет основан на МЭК 354-91 и ГОСТ 14209-85). На основании многочисленных экспериментов установлено, что

положение наиболее нагретой точки обмотки соответствует высоте 0,7К (Ь -высота обмотки фазы). Рассчитаем среднюю температуру (рис. 4).

(б)

Рис. 4. График зависимости температуры масла от высоты обмотки Найдем Тср по следующему уравнению:

I г& ] с-о.тн й

тср = - ( ТШх = -( Тх(х)йх + Т2Шх

/(> П ■'О -,0.7Й

Получим:

Тср = 0.4989Тнит + 0.3509ТЩ + 0.15ТВ№: (7)

Данный способ расчета средней температуры позволит исключить ложные прогнозы о состоянии обмотки и ее изоляции в целом.

Проведено моделирование в среде МаНаЬ для трехфазного двухобмоточного трансформатора мощностью 1000 кВа, напряжением 10/0,4 кВ (рис. 5-10). Все измерения выполнены для <£азы А.

Рис. 5. и=0.4кВ. Уточненная модель (нормальное состояние)

2.00 о.оа

Рис. 6. и=0.4кВ. Уточненная модель (аварийное состояние)

Рис. 7. и=10 кВ. Сопротивления обмоток в нормальном состоянии

Рис. 8. и=10 кВ. Индуктивная мощность и сопротивление обмотки в нормальном состоянии

«I 0.«

Рис. 9. и=10 кВ. Сопротивления обмоток в аварийном режиме

Рис. 10. и=10 кВ. Индуктивная мощность и сопротивление обмотки в аварийном режиме На указанном отрезке времени искомые параметры обмоток трансформатора изменяются в пределах 5-8%. Это показывает нормальный режим работы, отсутствие дефектов. На другом рисунке мы уже наблюдаем отклонения в пределах 10-15 %. Это показывает зарождение разрушающих процессов.

ю

При диагностировании происходит сравнение активного, индуктивного и емкостного сопротивлений с номинальными значениями и между фазами. Это позволяет произвести оценку состояния оборудования.

В третьей главе разработаны алгоритмические и технические решения для повышения эффективности диагностирования электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой и обоснованы рациональные параметры устройств функциональной диагностики силовых трансформаторов, выполненных в различных конструктивных исполнениях, которые позволяют контролировать состояние элементов трансформатора под нагрузкой, прогнозировать его состояние, как без встраивания в конструкцию, так и будучи внедренным.

Разработанное мобильное (внешнее) устройство мониторинга и диагностики (УМДМ) (патент на полезную модель ГШ № 105536) характеризуется тем, что выполняется расчет отклонения активного сопротивления для каждой фазы на стороне высокого и низкого напряжений в блоках 22, 23, 24 с любым интервалом времени и учетом нелинейных составляющих (гармоник); выполняется расчет отклонения индуктивности для каждой фазы на стороне высокого и низкого напряжений в блоках 7, 8, 9, 10 с любым интервалом времени и учетом нелинейных составляющих (гармоник); выполняется сравнение отклонений значений активного сопротивления и индуктивности с номинальными значениями, установленными заводом-изготовителем оборудования, и между фазами, что позволяет, имея данные о величине отклонения (система диагностирования приведена ниже), осуществлять диагностику, контроль и защиту силового трансформатора (рис. 11).

где Ьа - среднее значение индуктивности за период; Ц - значение уставки индуктивности силового трансформатора для обмоток ВЫ и НН, определяемое

Рис. 11. Схема УМДМ В процессе работы силового трансформатора под нагрузкой производятся измерения мгновенных значений первичного напряжения и( и вторичного напряжения и2, например, с помощью V, и У2. Сигнал с V, поступает на вход блока 1. В блоке 1 вычисляется приведенное к вторичному значению первичное напряжение. На вход блока 2 поступают сигналы с У2 и сигналы с выхода блока 1. В блоке 2 вычисления разности напряжений, приведенных к вторичной стороне.

В блоке 10 производится сравнение значения Ьа за период со значением уставки Ьч из блока 21 и 11 для обмоток ВН и НН соответственно и вычисляется их отличие. В блоке 24 производится сравнение значения Яа за период со

и

значением уставки Яг из блока 6 и 20 для обмоток ВН и НН соответственно и вычисляется их отличие.

Производится сравнение значения Ьа за период со значением уставки Ьс[ для обмоток ВН и НН соответственно и вычисляется их отличие:

Ы = ~1т ■ 100% ,8л

¿о/ 4 '

Производится сравнение значения за период со значением уставки Я, для обмоток ВН и НН соответственно и вычисляется их отличие:

л» — Нт

йК = г ■ 100% (9)

кт

где 11а - среднее значение активного сопротивления за период измерения (из блока 22 и 23); Яг - значение уставки активного сопротивления трансформатора. Определяются по результатам эксперимента на заводе-изготовителе оборудования.

Опишем стационарное устройство мониторинга и диагностики (УМДС) (патент на полезную модель 1Ш № 108855) - его необходимо предварительно установить в трансформатор, временно отключенный от сети на время монтажа данного устройства, и потом данное устройство позволяет контролировать искомые параметры в процессе работы трансформатора на протяжении своего срока службы, который составляет 20 лет (рис. 12, 13). Особенностью данного устройства является наличие датчиков контроля сопротивления изоляции, степень увлажнения изоляции, которые выполнены в виде электродов из электропроводящей наноструктурированной фольги, расположенные между слоями изоляции всех фаз и для всех напряжений; имеется блок, в котором выполняется расчет и контроль температуры наиболее нагретых точек изоляции обмоток.

и подключения УМДС

к трансформатору

Каждый из электродов посылает сигнал на реагирующий орган 6. Он рассчитан на все датчики и посылает сигнал на дисплей о показаниях каждого из датчиков. Блок 8 содержит резистор, ограничитель перенапряжений или разрядник, конденсатор.

Каждый из электродов посылает сигнал на реагирующий орган 6. Он рассчитан на все датчики и посылает сигнал на дисплей о показаниях каждого из датчиков. Блок 8 содержит резистор, ограничитель перенапряжений или разрядник, конденсатор. Это нужно для ограничения напряжения на втором входе блока 7 в случае смещения потенциала нейтрали по отношению к земле, вызванном КЗ. Соединение электродов с УМДС осуществляется проводом ПВЗПО-15-250. При попадании влаги в масло, изоляция обмоток увлажняется. Сопротивление изоляции резко снижается. Ток, протекающий через корпус, изоляцию, датчик, блок 6, реле 14, возрастает. Реле 12 срабатывает и через контакт 21 становится на самоудержание, а светодиод 11 загорается, показывая увлажнение изоляции. Местонахождение определяется по свечению одного из светодиодов блока 6.

При витковом замыкании за счет дуги и ионизации в слоях изоляции, за счет частичного или полного прогара, резко уменьшается сопротивление слоя изоляции и возрастает ток в цепи: нейтраль 9, реле 15, блок 6, электрод и изоляция. Срабатывает реле 15 и через контакт 22 становится на самоудержание. Засвечивается светодиод «витковое замыкание». В цепь 13 через контакты 23 и 24 поступает сигнал на отключение на автоматический выключатель. Дефектный элемент определяется по свечению светодиода блока 6.

При замыкании на землю, сопротивление изоляции быстро падает за счет тока замыкания на землю. Совместно срабатывают реле 14 и 15 и становятся на самоудержание. Загораются светодиоды 11 и 12, сигнализируя о замыкании. Поврежденный элемент определится по блоку 6.

Выходные сигналы с данного блока идут на систему управления охлаждением трансформатора и на отключение трансформатора; соединение электродов с УМДС осуществляется авиационным проводом, который устойчив к вибрационным, ударным и линейным нагрузкам, акустическим шумам, стойким к воздействию агрессивных сред, имеющим электрический экран, который защищает провод от воздействия электромагнитных полей; содержит блок защиты самого устройства от чрезмерно высокого напряжения при возникновении короткого замыкания обмоток или попадании его на электроды.

Элемент измерения температуры наиболее нагретых точек 1, включающий блоки 2, 3, 4, 5. С амперметра, установленного на стороне НН, подаются данные о токе с каждой из трех фаз. Блок 3 определяет коэффициент загрузки трансформатора или получает данные о нем. На основании данных о К из блоков 4 и 5 берутся значения номинальных токов и номинальных потерь вихревых токов в местоположении наиболее нагретой точки. В блоке 1 вычисляется температура наиболее нагретых точек. Вычисление производится для обмотки НН, т.к. температуры в ней значительно больше из-за худших условий охлаждения. Данные о температуре поступают в блок 25, на дисплей 9. В блоке 25 анализируются данные о температуре наиболее нагретых точек и подается соответствующий сигнал в систему охлаждения для корректировки ее работы. Это позволит более эффективно ее использовать, увеличить срок службы системы охлаждения, снизить энергозатраты на ее работу. В схеме для расчета температуры наиболее нагретых точек изоляции обмотки, основываясь на МЭК

354-91 и ГОСТ 14209-85, расчетные обмоточные потери вырабатывают тепло в местоположении наиболее нагретой точки.

Система комплексного контроля трансформаторов показана на рис. 14.

Данная система включает в себя силовые трансформаторы в составе подстанций; вспомогательные системы измерения, установленные в РУНН и РУВН; разработанные устройства УМДМ и УМДС; стандартные устройства контроля силовых трансформаторов; персональный компьютер для эксплуатирующего персонала; удаленный терминал; центральный сервер; персональные компьютеры оперативного дежурного персонала; сервер Интернет (удаленный доступ к системе); программное обеспечение (на базе SCADA). Данная система комплексного контроля силовых трансформаторов, обеспечивает экономичную, надежную работу более 10000 устройств, собирает информацию в едином центре, с возможностью доступа к ней по средством Internet, позволяет подключить другие устройства без изменения структуры благодаря стандарту МЭК 61850 и основе SC ADA.

Рис. 14. Схема комплексного контроля силовых трансформаторов

Для оценки надежности силового трансформатора в период его эксплуатации используются общепринятые коэффициенты теории надежности: 'рак (ресурс элемента) и кгд (коэффициентом готовности).

В четвертой главе проведены и представлены результаты численных и экспериментальных исследований, обоснованы рациональные параметры устройств функциональной диагностики элементов силовых трансформаторов под нагрузкой. Развит практический подход к функциональной диагностики и прогнозированию состояния электротехнических элементов.

Для обеспечения должного функционирования разработанных устройств, определим и обоснуем их рациональные параметры. Для получения высокой точности решения дифференциальных уравнений 4 порядка точности при минимальных затратах времени на решение, примем метод Гира или формулы дифференцирования назад (ФДН - методы). Выполним решение уравнений с помощью МАТЬАВ с шагом интегрирования Ь = 0.0001. Оценивания вычислительные затраты, шах относительную ошибку, ЧВФ- число вычислений функции, получим результат, чгго метод Гира наиболее предпочтительный. При этом погрешность составит 3,42%.

Исходя из теоремы Котельникова-Шеннона частоту квантования следует выбирать из условия £2 > 2со, где со - максимальная частота спектра входного сообщения. Т.е. при дискретизации сигналов при частоте в 100 Гц мы можем

точно восстановить исходный аналоговый сигнал по его цифровым отсчетам. Следовательно, замерять следует каждые 0,01с.

Для апостериорной оценки погрешности численного дифференцирования воспользуемся практическим правилом Рунге оценки погрешности. Оно основано на вычислении производной дважды: LN[f], L2Nffl: RînM ~ (L2nM - LN[f] ) / (2P -1 ), где p - порядок погрешности формулы. Просчитывая с разным шагом, используя первое правило Рунге, получаем, что погрешность составляет 5,08%. Программная реализация формул Рунге, например в системе Matlab, способна осуществить численное дифференцирование с заданной точностью.

В совокупности с погрешностью прибора, общая погрешность результатов составляет <3=3,42+1+5,08=9,5%. Что значительно точнее существующих методов.

Для прогнозирования изменения контролируемых параметров электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой используется аппроксимирующая функция динамики активной R(t), индуктивной L(t), емкостной C(t) составляющих полного сопротивления в работе используется степенной полином.

АХ/1)=Вс)1й+Л2ч+ДП2] (10)

где, AZj(t) — изменение функционального параметра трансформатора или его элемента; BCJ- - скорость изменения j-ro функционального параметра от переданной мощности (наработки); р — показатель степени; AZ3J — случайное отклонение фактического изменения параметра и теоретической реализации из-за влияния внешних причин; ЛПЧ - значение параметра, определяющееся процессом приработки.

Параметры полинома (10) определяются методом наименьших квадратов. Диагностическими признаками является активное сопротивление (R), индуктивность (L) и емкость (С) электротехнических элементов, температура масла (Т). Использован безразмерный параметр прогнозирования, как отношение скоростей изменения R, L, С, Т в работающем и предельно изношенном элементе трансформатора. На рис. 15 показана схема определения Z.

___1-абсолютно исправный элемент;

Л 2 2- элемент, находящийся в

yf/f j " допустимом диапазоне;

у\ i | 3- предельно изношенный элемент.

i : i ; : t

(Г~ь ï p

Рис. 15. Схема нахождения параметра прогнозирования

Получим:

"" Р?) '' СЙ5* * '" Р?) '" ' Р?> ' Ш < » )

где, RH, LH, Тк- начальные значения при диагностировании; Ri} Ц, 7), Rs, Т3, - значения в диагностируемом и предельно изношенном объектах соответственно; t,- — момент времени при диагностировании; t2 — момент времени нахождения объекта в нормальном состоянии.

При заводском изготовлении трансформатора датчики встраиваются в его конструкцию и при эксплуатации проводятся прямые измерения теми же средствами, что обеспечивают схемы замещения.

В случае, если встраивать на заводе на этапе его, то прогнозирование состояния электротехнических элементов силового трансформатора происходит путем по тем же методикам, что в схемах замещений.

Если датчики изначально не были встроены, то прогнозирование состояния электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой заключается в аппроксимации динамики активных, индуктивных и емкостных составляющих их полных сопротивлений экстраполяционными степенными полиномами, значения которых получены косвенными методами измерений.

Для прогнозирования приняты следующие границы отклонений для активного и индуктивного сопротивлений:

- в пределах 7% является нормальным;

-в пределах 10-15 % показывает зарождение разрушающих процессов, но не требуется отключение его от сети и ремонта;

- в пределах 16-20 % сигнализирует об опасности, подается сигнал оператору. Необходимо выполнить мероприятия по выводу трансформатора в ремонт без отключения ответственных потребителей от сети;

-от 25% и более - аварийное отключение трансформатора от сети.

Критерием исправности или неисправности являются соотношения: Ъ > 1 - исправен; Ъ < 1 - неисправен. Величины Я], Ьь Т15 ^ (номинальные) определены в паспортах на оборудование, а также ГОСТами.

Для оценки степени совместимости электротехнических устройств функциональной диагностики с электротехническими элементами силового трансформатора под нагрузкой в точках измерений вводится в рассмотрение величина &гд (коэффициентом готовности), определяемый по формуле:

где P1(t),P3(t),P2(t) - вероятности ресурса электротехнического элемента,

находящегося в абсолютно исправном или предельном изношенном состоянии, в допустимом диапазоне, соответственно, с учетом соотношений (2), (3), (4), связывающих значения прогностических параметров R(t), L(t), C(t) с значениями u(t), i(t) в точках измерений. При этом косвенность измерений прогностических параметров не влияет на значения параметра m (математическое ожидание), нормального закона распределения, но увеличивает значение параметра 0 (дисперсия) в пределах 10-15%;

-Tpj,£- времени нормальной работы существующего технического уровня;

-ТрИН- времени нормальной работы нового технического уровня;

Оценка времени нормальной работы электротехнических элементов нового технического уровня силового трансформатора под нагрузкой определяется по формуле:

(12)

I

где, - усредненное значение диагностического параметра;

—X* - допустимое значение диагностического параметра (в соответствии с паспортом);

—5 - доверительное отклонение, определяемое с учетом дисперсии распределения параметра Ог и р* (от 0,85 до 0,995); —£?0 коэффициент, показывающий скорость изменения параметра; -[3 — показатель степени аппроксимирующего полинома (10).

Далее в главе приведены результаты моделирования и экспериментов для подтверждения результатов исследований. Диагностические обследования с применением разработанных устройств было выполнено для 19 трансформаторов. Из них 12 со сроком службы более 25 лет: 250 кВА - Зшт; 400 кВА — 12шт; 630 кВА — 4шт. Данные для экспериментов взяты из открытых официальных источников.

На основании показаний устройств были сделаны следующие заключения: требуется замена на новый - 2 шт (12 %) - № 7, 16. ктд=0,49, Трнн==6,5мес; требуется капитальный ремонт - 5 шт (28 %) - № 4, 8, 11, 15, 17. ктд=0,59, Трин~12мес; требуется ремонт или замена отдельных узлов и агрегатов 1 шт (6 %) - №12. кхд=Ф,74, Тр„н~-63мес; требуется установка регулярного мониторинга, включая добавление новых контролируемых параметров, - 4 шт (22 %) - №6, 9, 10, 14. ктд=0,85, Тр„„~174мес; нормальное состояние - 6 шт (32 %) - № 1, 2, 5, 13, 18, 19. ктд~92, Трнн~211мес.

Приведем графики с значениями ЛЯ, полученными в ходе расчетов по схемам замещения и реальных испытаний (рис. 16, 17, 18), силовых трансформаторов.

Рис. 16. Значения ДИ. Рис. 17. Значения ДЯ для Рис. 18. Значения ДЯ

для трансформаторов трансформаторов 8=400 кВа для трансформаторов 8=250 кВа 8=630 кВа

Для проверки разработанных устройств диагностики и мониторинга были произведены натурные эксперименты. Результаты, полученные при применении вновь разработанных устройств, полностью совпали с результатами расчета по схемам замещения.

Погрешность в большинстве случаев составила менее 7% и, хотя в ряде случаев она была в диапазоне от 5% до 9%, что соответствует точности математической модели, можно сделать вывод о высокой достоверности вновь разработанной схемы замещения и устройств диагностики и мониторинга. Величина погрешности позволяет с уверенностью заявлять, что вновь разработанная методика расчета имеет высокую точность по сравнению с существующими аналогами.

Для определения достоверности полученных заключений о состоянии силовых трансформаторов и дополнительного подтверждения корректности разработанных устройств, были проведены испытания в соответствии с действующими нормами, в т.ч. с руководящими документами. Такие эксперименты были проведены для 7 трансформаторов, которые были определены как наиболее поврежденные.

В заключении сформулированы основные научные результаты работы, рекомендации по их применению.

В приложении приведены сведения о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена задача обоснования рациональных параметров, установления зависимостей для обеспечения требуемого уровня совместимости электротехнических устройств функциональной диагностики с электротехническими элементами силового трансформатора, учитывающих в комплексе факторы изменения температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное, индуктивное и емкостное сопротивления, для повышения эффективности экспресс диагностики силовых трансформаторов под нагрузкой.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем:

1) выполнен анализ существующих методов и средств функциональной диагностики электротехнических элементов силового трансформатора, приведена классификация дефектов с сортировкой по узлам конструкции, указаны причины их возникновений и к каким последствиям это приводит. Выявлено, что существующие методы не всегда возможно применить в современных условиях, т.к. в большинстве они требуют отключения трансформаторов от сети, проведение дорогостоящих испытаний, не позволяют в целом оценить техническое состояние отдельных элементов;

2) установлены закономерности изменения электромагнитных параметров электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой при зарождении или развитии дефекта, с учетом влияния изменения температуры масла, переходных электромагнитных и электромеханических процессов, гармонических составляющих тока и напряжения;

3) определены и обоснованы рациональные параметры электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой, учитывающие в комплексе такие факторы как, изменяющаяся температура масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное, индуктивное, емкостное сопротивления, основанные на измерении мгновенных величин тока и напряжении;

4) разработана методика экспресс диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой на основе динамики активного, индуктивного емкостного сопротивлений через измерение мгновенных значений тока и напряжений

5) разработана методика прогнозирования состояния электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой путем аппроксимации динамики активных, индуктивных и емкостных составляющих их полных сопротивлений экстраполяционными степенными полиномами, позволяющая выявить зарождение и развитие дефектов;

6) приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность полученных моделей и зависимостей (погрешность 9,5%), а так же описаны особенности практического использования функциональной диагностики электротехнических элементов. Годовой экономический эффект от применения каждого из разработанных устройств, за счет увеличения межсервисного интервала и высокой достоверности информации о техническом состоянии, составил 44 тыс. руб на один трансформатор мощностью 1000 кВА.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Андреев К.А. Мобильное устройство мониторинга и диагностики силового трансформатора под нагрузкой / К.А. Андреев // Сб.ст., Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, Изд-во ТулГУ, 2012, № 1, С. 389-394.

2. Андреев К.А. Проблемы устройств мониторинга и диагностики трансформаторов под нагрузкой / К.А. Андреев // Сб.ст., Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, Изд-во ТулГУ, 2012, № 1, С. 380-388.

3. Андреев К.А. Расчет температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора при нелинейной нагрузке / К.А. Андреев // Сб.ст., Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, Изд-во ТулГУ, 2010, № 4, часть 1, С. 327-333.

4. Андреев К.А. Стационарное устройство мониторинга и диагностики силового трансформатора под нагрузкой / К.А. Андреев // Сб.ст., Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, Изд-во ТулГУ, 2012, № 1, С. 395-401.

5. Андреев К.А. Устройство контроля изоляции силового трансформатора под нагрузкой / К.А. Андреев // Промышленная энергетика. Москва, НТФ «Энергопрогресс», 2011, № 9, С. 6-10.

6. Горелов Ю.И., Андреев К.А. Система комплексного мониторинга и диагностики силовых трансформаторов / Ю.И. Горелов, К.А. Андреев // Сб.ст., Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, Изд-во ТулГУ, 2011, № 6, часть 1, С. 82-89.

7. Степанов В.М., Андреев К.А. Технические решения по диагностике силовых трансформаторов / В.М. Степанов, К.А. Андреев // Сб.ст., Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, Изд-во ТулГУ, 2011, № 6, часть 1, С. 74-81.

Статьи в сборниках трудов и периодических изданиях

8. Андреев К.А. Исследование переходных процессов в силовых трансформаторах / К.А. Андреев // V магистерская научно - техническая конференция ТулГУ — Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 183-184.

9. Андреев К.А. Модель имитационного моделирования силового трансформатора / К.А. Андреев // Энергосбережение - теория и практика - Москва: Изд-во МЭИ, 2010.-С. 24-28.

10. Андреев К.А. Оценка работоспособности силового трансформатора / К.А. Андреев // Сборник докладов, VI молодежная научно-практическая конференция

So—

чтения ^011». Москва, Издательский дом МЭИ, 2011 С 125-127

КЛА^1^ПГ/ЛвМа ДИагностики С0СТ°ЯНИ; силовых трансформаторов/ к А Андреев // Сборник докладов, V молодежная научно-поакшческяя конференция Тульского государственного университета. МолодеГыеZS Технические науки. Часть 1. Тула, Изд-во ТулГу" 2011, часть UC l^S

TLA **™ КЛ■ Пр°бЛеМа Наиб0Лее нагР™ т°чек обмоток силового трансформатора при нелинейной нагрузке/ К.А. Андреев // Сборник ™0В V

молодежная научно-практическая конференция Тульского госудадствш^го

технические "ауки-

14. Андреев К.А. Пути повышения надежности энергосистемы / К А Ащшеев // ^009 сТоГ НЗУЧН0 " конференция ТулГУ - Тула.^зд-во ТулГу!

45ан^Гпм™' /СГдеМадК°МПЛеТ°Г° М°"ит°Ринга и Диагностики силовых трансформаторов / К.А. Андреев // VI магистерская научно - технич^я* конференция ТулГУ - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С 179 техническая

д„ А»ДРеев К.А. Система контроля силового трансформатора ON-LINE/ К А

эЛГ Энергосбережение, элеюфомагнитная совместимость и к!че4во в

конференция (с международным участием). Уфа, Изд-во УГНТу" 20П, с! 23918. Андреев К.А. Эффективность использования систем мониторинга силовы* трансформаторов/ К.А. Андреев // Проблемы энергосбереженияТпТомы—м и жилищно-коммунальном комплексах // XII Мевдунарощ^ Гучно пр™с„феРенция - Пенза: Изд-во АННОО «ПриЗсскТд! зиГий^

Патенты

Авдреев Моб™ьное устройство мониторинга, диагностики и защиты

полезную модель RU № 108855, кл. G01R 31/02, Н02Н 7/04, 2011

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 21 11 2013 Формат бумаги 60x84 '/16. Бумага офсетная __ Усл.печ. л. 1,2 Уч.изд. л.1,0 Тираж 100 экз. Заказ 083

У^КГ/°СУЛа^еННЫЙ УнивеРситет- 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95

ФГБОУ ВПО «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Андреев Константин Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПОД НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

На правах рукописи

04201451644

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Горелов Ю.И.

Тула-2013

Содержание

Введение 4

Глава 1. Анализ технических средств диагностирования

силовых трансформаторов, методов расчета параметров

и прогнозирования их технического состояния 10

1.1. Технические средства диагностирования и условия их применения 12

1.2. Физические процессы в силовых трансформаторах и их влияние на

контроль и прогнозирование их технического состояния 18

1.3. Цель и задачи исследования 36

1.4. Выводы по 1-й главе 40

Глава 2. Определение и расчет параметров схем замещения силового

трансформатора для диагностирования и прогнозирования его состояния 41

2.1. Построение схемы замещения силового трансформатора

в рабочем режиме 43

2.2. Определение параметров схемы замещения 48

2.3. Расчет параметров ветви намагничивания силового трансформатора 51

2.4. Построение итоговой схемы замещения силового многообмоточного

трансформатора в нормальном состоянии 55

2.5. Построение итоговой схемы замещения силового многообмоточного

трансформатора в аварийном состоянии 58

2.6. Моделирование силового трансформатора

на основе схем замещения 66

2.7. Выводы по 2-й главе 70

Глава 3: Устройств мониторинга и диагностики силовых -

трансформаторов под нагрузкой 71

3.1. Мобильное устройство мониторинга и диагностики силового

трансформатора без отключения его от нагрузки (УМДМ) 74

3.2. Стационарное устройство мониторинга и диагностики силового

трансформатора без отключения его от нагрузки (УМДС) 81 2

3.3. Система комплексного контроля силовых трансформаторов 90

3.4. Выводы по 3-й главе 98

Глава 4. Прогнозирование технического состояния силовых

трансформаторов под нагрузкой 99

4.1. Обоснование рациональных параметров устройств диагностики 104

4.2. Экспериментальные подтверждения результатов исследований 112

4.3. Результаты прогнозирования технического состояния

силового трансформатора 120

4.4. Выводы по 4-й главе 124

Заключение 125

Библиографический список 127

Приложения 141

Введение

Актуальность темы.

Износ силовых трансформаторов в РФ настоящее время составляет 63% [27]. Стоимость замены оборудования на новое, составляет около 10 млрд. долларов. Чрезмерный износ оборудования приводит к снижению надежности электроснабжения, потери электроэнергии в системах. Аварийная ситуация ведет к перебою в электроснабжении, остановке технологических процессов производств, порче электрооборудования и сырья, а так же к возникновению техногенных аварий, влияющих на жизнь и здоровье людей. Поэтому мониторинг, диагностика и своевременный ремонт электросетевого хозяйства России, в том числе силовых трансформаторов, -одна из первоочередных задач энергетической отрасли. На её решение будут направлены до 2020 года 10,2 триллиона рублей. Это составляет 47% от общей суммы инвестиций в электроэнергетику [27].

Наиболее повреждаемые элементы конструкции силового трансформатора, согласно данным [1, 52], являются обмотки и их изоляция. На них приходится 44% всех повреждений. Последствия от них относятся к наиболее опасным и тяжелым для силового трансформатора. Причины данных видов повреждений очень многообразны (недочеты конструкции, скрытые дефекты, возникшие в процессе изготовления оборудования, нарушения правил перевозки, монтажа, эксплуатации, ошибки в ходе проведения диагностических и ремонтных работ и т.д.), а обнаружить их достаточно -проблематично. Можно -так-же-выделить отсутствие -полной информационной картины о состоянии оборудования, условиях его эксплуатации.

Необходимость знать точное текущее состояние силового трансформатора и прогноз его технического состояния диктуется экономическими реалиями, связанными с острой необходимостью продления сроков службы существующего оборудования, с недостаточностью

4

финансовых средств на замену трансформаторов, потребностью экономичного расходования средств на ремонт.

Поэтому, комплексный учет факторов изменения температуры масла, переходных электромагнитных и электромеханических процессов, гармонических составляющих тока и напряжения, активного, индуктивного и емкостного сопротивления, закономерностей, влияющих на электротехнические элементы силового трансформатора под нагрузкой и прогнозирование на основе схем замещения в контрольных точках, является актуальной научной задачей.

Основания для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена в Тульском государственном университете по плану научно-исследовательских работ, а так же совместно с учебно-техническим центром «Энергоэффективность» на базе кафедры «Электроэнергетика» данного вуза.

Цель выполнения диссертационной работы: повышение эффективности экспресс диагностики силовых трансформаторов под нагрузкой путем обоснования структуры и рациональных параметров новых технических решений устройств диагностики, учитывающих в комплексе факторы изменения температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное, индуктивное и емкостное сопротивления электротехнических элементов силового трансформатора.

Объект исследования: силовой трансформатор под нагрузкой, как основной элемент электротехнического комплекса.

Предмет исследования; деградационные процессы

электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой.

Методы исследования. Для решения поставленных задач

использовались методы электромеханики и теоретических основ

электротехники, численные методы, методы математической статистики,

теория тепловых процессов и тепломассопереноса, теория надежности

технических систем, экстраполяционные методы прогнозирования,

планирование эксперимента, методы оптимизации, программирование в системе MATLAB. Проверка теоретических результатов осуществлялась путем проведения численных и натурных экспериментов.

В основе методов и средств мониторинга и диагностики силовых трансформаторов лежат работы Сви П.М., Русова В.А., Аксенова Ю.П., Кудратиллаева A.C., Гречко О.Н., Аракеляна В.Г., Киреевой Э.А., Лукьянова М.М., Харисова Э.А.

В основе методов прогнозирования технического состояния лежат работы Бестужева-Лады И.В., Горелова В.Л., Кудрина Б.И., Мельникова E.H., Саркисяна С.А.

На защиту выносятся:

1) математические модели электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой на основе схем замещения в контрольных точках, позволяющие учесть отклонения от нормального состояния на основе учета изменения активного, индуктивного емкостного сопротивлений, путем измерения мгновенных значений тока и напряжений и зависимости для определения их рациональных параметров;

2) методика экспресс диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой на основе динамики активного, индуктивного емкостного сопротивлений через измерение мгновенных значений тока и напряжений;

3) установлены зависимости для прогнозирования состояния электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой-по критерию надежности на основе рациональных параметров схем замещений новых устройств в местах совмещения.

Научная новизна заключается в обосновании рациональных параметров электротехнических устройств диагностики и обеспечения требуемого уровня совмещения с электротехническими элементами силовых трансформаторов под нагрузкой, и заключается в:

1) получены аналитические зависимости на основе анализа схем замещения для расчета рациональных параметров электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой учитывающие в комплексе такие факторы как, изменяющаяся температура масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное, индуктивное, емкостное сопротивления, основанные на измерении мгновенных величин тока и напряжении;

2) установлены зависимости состояния электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой от динамики активных, индуктивных и емкостных составляющих их полных сопротивлений при влиянии технологических и эксплуатационных факторов, таких как конструктивные особенности, изменение температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения;

3) разработана методика прогнозирования состояния электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой путем аппроксимации динамики активных, индуктивных и емкостных составляющих Pix полных сопротивлений экстраполяционными степенными полиномами, позволяющая выявить зарождение и развитие дефектов;

4) структурные и рациональные параметры электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой в точках совмещения, учитывающие изменяющуюся температуру масла, переходные - электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения.

Достоверность полученных результатов. Основные научные положения и выводы основываются на фундаментальных положениях общей теории электротехники и математики, адекватностью теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составило

7

9,5%, что подтверждает их удовлетворительную сходимость, практическим применением результатов работы в производстве.

Практическая значимость. На основе проведенных исследований разработана методика экспериментального исследования состояния обмоток и их изоляции силовых трансформаторов любого конструктивного исполнения под нагрузкой, а так же определения рациональных параметров устройств диагностики и их подключения, методика определения и прогнозирования технического состояния элементов силового трансформатора.

Практическое применение результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы:

1) в части диагностирования, оценки ресурса и прогнозирования технического состояния элементов силовых трансформаторов с помощью разработанных устройств в Группе компаний «Стройэкспертиза» с годовым экономическим эффектом 44 тыс.руб. на трансформатор 1000 кВА;

2) использование в учебном процессе. Теоретические результаты данной работы были использованы при разработке курсов лекций и комплексов лабораторных работ по дисциплинам: «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Основы проектирования электроэнергетических систем», «Электроснабжение промышленных предприятий».

В приложении приведены акты внедрения результатов работы. Апробация работы. Результаты данной диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: -----

1) IV Магистерская научно - техническая конференция Тульского государственного университета, Тула, 2009;

2) V Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика», Москва, 2010;

3) V Магистерская научно - техническая конференция Тульского государственного университета, Тула, 2010;

4) VI Магистерская научно - техническая конференция Тульского государственного университета, Тула, 2011;

5) III Всероссийская научно-техническая конференция «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», Уфа, 2011;

6) XII Международная научно-практическая конференция «Проблемы энергосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах», Пенза, 2011;

7) II Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах», Пенза, 2011;

8) V молодежная научно-практическая конференция Тульского государственного университета «Молодежные инновации», Тула, 2011;

9) ХЫ Всероссийская научно-практическая конференция (с Международным участием) «Федоровские чтения 2011», Москва, 2011;

10) Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение-2011», Тула, 2011;

11) VI молодежная научно-практическая конференция Тульского государственного университета «Молодежные инновации», Тула, 2012;

12) VII Магистерская научно - техническая конференция Тульского государственного университета, Тула, 2012.

Публикации. По результатам работы было опубликовано 18 работ, из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получены 2 патента на полезную модель № 105536, № 108855.

- -Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4

глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование и приложения с результатами внедрения. Общий объем составляет 144 страницы, содержит 33 иллюстрации и 13 таблиц.

Глава 1. Анализ технических средств диагностирования силовых трансформаторов, методов расчета параметров и прогнозирования их технического состояния

Силовой трансформатор - это важнейшее устройство среди единиц энергетического оборудования в электротехнических комплексах. Он является основным оборудованием электростанций, трансформаторных подстанций (повышающих и понижающих). Именно от него зависит надежность и качество электроснабжения. Силовой трансформатор представлен в огромном количестве конструкторских вариантов, которые позволяют ему выполнять дополнительные функции, обеспечивать определенные показатели, а так же позволяют эксплуатировать его в различных условиях и быть стойким к воздействию как природных, так и техногенных факторов.

Силовые трансформаторы, в соответствии с действующими нормами, проверяются с различным интервалом времени. Это необходимо для контроля их работы, своевременного выявления отклонений в их работе и неисправностей, а так же, в случае необходимости, оперативного выведения их в ремонт. Ведь в случае аварийной ситуации происходит отключение потребителя от электроснабжения. Остановка оборудования (в промышленном секторе), порча электробытовых приборов (в коммунально-бытовом секторе) приводит к значительным экономическим убыткам. Значительный экономический ущерб появляется во время ликвидации простоя технологического оборудования. Это связано, прежде всего, с порчей сырья, повреждению оборудования, и, в крайнем случае, ведет к техногенной аварии.

В реальных условиях силовые трансформаторы находятся как под постоянным надзором оперативного персонала, так и под периодическим, обслуживаясь с определенным интервалом выездной бригадой (при отсутствии постоянного персонала).

В основе методов и средств мониторинга и диагностики силовых трансформаторов лежат работы Аксенова Ю.П., Аракеляна В.Г., Гольдштейна В.Г., Гречко О.Н., Киреевой Э.А., Кудратиллаева A.C., Лукьянова М.М., Русова В.А., Сви П.М., Харисова Э.А., Хренникова А.Ю.

В настоящее время наиболее удачны и успешно применяются системы диагностики и мониторинга следующих компаний:

- «Диагностика+» ИГЭУ (Россия);

- ABB «Secheron» (Швейцария);

- TRAS (США);

- TDM «Вибро-центр» (Россия).

В СНГ так же проводят исследования и внедряют разработки в жизнь следующие исследовательские центры: ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» (ранее НИЦ ВВА), Новочеркасский ГТУ, НИЦ «ЗТЗ-Сервис» (г. Запорожье).

В вышеуказанных разработках используются следующие способы диагностирования и контролируемые параметры [26, 45, 54]:

- уровень масла в баке и его температура в верхней точке бака;

- анализ растворенных газов в масле;

- давление в баке;

- пороговые значения давление во вводах;

- акустический и вибрационный контроль состояния РПН;

- регистрация и анализ информации обо всех событиях в процессе работы трансформатора;

- максимальная расчетная температура обмотки;

- состояние газового реле; - - " ~

- регистрация частичных разрядов;

- параметры окружающей среды (влажность и температура);

- токи и напряжения всех фаз трансформатора на высокой и низкой сторонах;

- тангенс угла потерь вводов.

1.1. Технические средства диагностирования и условия их применения

Мониторинг состояния и необходимые испытания силового трансформатора производятся в соответствии с требованиями нормативных документов (ПТЭ, «Нормы испытаний электрооборудования») во время текущего и капитального ремонта. Профилактические испытания заключаются, в основном, в проверке изоляции, измерении переходных сопротивлений контактов. В случае, если обнаруживаются признаки повреждений изоляции или свидетельства о начале ухудшения ее состояния, то производятся дополнительные ремонтные мероприятия в период между плановыми.

Основной объект