автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка и исследование методов диагностики изоляционной системы маслонаполненных трансформаторов на основе изучения спектров токов поляризации

На правах рукописи

ЗЕНОВА ЕЛЕНА ВАЛЕНТИНОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ СПЕКТРОВ ТОКОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Специальность: 05. 09. 02 - Электротехнические материалы и изделия

2 6 СЕН 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

0050^"

Москва 2013

005533841

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет МЭИ»

Научный консультант:

Д.т.н., профессор

Чернышев Валентин Александрович

Официальные оппоненты:

Член-корреспондент АЭН, председатель Совета директоров з-да Изолятор, д.т.н., доцент Славинский Александр Зиновьевич

Д.т.н., профессор Томского политехнического университета Похолков Юрий Петрович

Д.т.н., главный научный сотрудник ФГУП ВЭИ им. Ленина Суханов Олег Алексеевич

Ведущая организация: Физический факультет Московского

государственного университета имени М.В.Ломоносова,

Защита состоится 23 октября 2013 г. в ауд._в 14 час 00 мин на заседании

диссертационного Совета Д 520.026.01 при ОАО "Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности" по адресу: 111024, г. Москва, Энтузиастов шоссе, 5 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИ КП»

Автореферат разослан «_»_

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

И.А. Овчинникова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изоляционная система современного маслонаполненного оборудования, в том числе и высоковольтных трансформаторов, лежит в основе организации надежного бесперебойного энергоснабжения и является ключевым элементом, гарантирующим безаварийнуюэксплуатацию подобного рода оборудования.

В настоящее время организация надежного энергообеспечения как у нас в стране, так и за ее пределами требует учета ряда устойчивых тенденций, наиболее важными из которых являются:

- заметный рост электропотребления и связанное с ним увеличение парка эксплуатируемого оборудования при постоянном повышении требований к надежности, долговечности, экологичности эксплуатируемых устройств;

- «старение» парка обслуживаемого оборудования, и в первую очередь, наиболее ответственного и дорогостоящего трансформаторного оборудования;

- переход от планово-предупредительного ремонта оборудования к системе технического обслуживания на основе оценки его фактического состояния, позволивший сделать проводимый ремонт более целесообразным и технически обоснованным.

Определение фактического состояния оборудования в данном случае основано на измерении значений контролируемых параметров, для которых определяются тревожные и аварийные уровни сигналов. Сравнение действительных значений с установленными уровнями тревоги и предыдущими замерами дает оценку изменения состояния контролируемого оборудования. Организованный, таким образом, диагностический контроль имеет своей целью предотвращение аварийного отказа оборудования, определение его состояния и прогнозирование остаточного ресурса как одного из главных показателей надежности.

Однако, неопределенности, возникающие при определении уровней тревожных и аварийных сигналов, а также при выборе вида и метода измерения значений контролируемых параметров, не позволяют до конца решить поставленные задачи. Поэтому сегодня говорят о новых подходах, формирующих принципиально новую парадигму диагностики состояния эксплуатируемого оборудования, качественно изменяющих требования к нему. Главной задачей становится управление жизнью эксплуатируемого оборудования и прогнозирование его состояния на относительно длительный период. Такие подходы не являются тривиальными и требуют разработки принципиально новых методов планирования контроля, формирования эффективного параметра контроля и обеспечения толерантности получаемых результатов (идеология обеспечения качества О.Та§исЫ).

Основные мировые тенденции, перечисленные выше, определяют актуальность решения проблемы создания диагностической системы, непосредственно интегрированной в технологический процесс обслуживания дорогостоящего маслонаполненного оборудования, функционирующего в распределительных сетях электрообеспечения. Поэтому она должна обладать высокой эффективностью, производительностью, отличаться доступностью методов контроля и применяющихся при этом материалов. Располагать физически обоснованными математическими моделями, позволяющими формализовать наши представления о состоянии контролируемого объекта и допускающими формирование итогового заключения. Корректирующие мероприятия, сформулированные в итоговом заключении, должны предусматривать процедуры, исключающие отказ эксплуатируемого оборудования в пределах конкретно заданного периода времени.

Высоковольтный трансформатор, как и любое маслонаполненное оборудование, представляет собой многокомпонентную систему узлов и элементов. Отказ любого из них приводит к отказу всего трансформатора или нарушению его работы. Анализ причин отказа работающих трансформаторов за период 1997 2003 годов по данным 1М1А - \[/СР(33/03) (международной ассоциации страхования инженерной продукции) показал, что основной причиной материальных потерь является отказ изоляционной системы (в стоимостном выражении это составляет более 52%). На втором месте (более 22%) оказались причины связанные с конструкцией трансформатора, используемыми материалами и качеством их изготовления. Тем не менее, в настоящее время отсутствует эффективная система контроля состояния изоляционной системы трансформаторов и оценки ее качества.

Нормативные документы РД 34.45-51.300 - 97 (Объем и нормы испытаний электрооборудования), регламентирующие измерения сопротивления изоляции Яиз и коэффициента абсорбции ка6с при заданных в них уровнях тревоги не предусматривают всех требований к ним, что оказываются явно не достаточным. В них не учитываются особенности физических процессов, протекающих в контролируемых изоляционных промежутках, не устанавливается степень дефектности и степень изношенности работающих материалов. Отсутствие систематических теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении с точки зрения диагностики делают практически бесполезными результаты такого рода контроля.

Хотя изучение поляризационных процессов в диэлектриках успешно проводилось крупными научными школами (петербургская научная школа электротехнического материаловедения: Койков С.Н., Сажин Б.Н., Борисова М.Э. и др.), процессы поляризации (особенно структурной), развивающейся в объеме изоляционных промежутков силовых трансформаторов, методы

исследования и оценивания их основных параметров, по существу, оставлены без внимания. Использование метода измерения величины возвратного напряжения (Ю/М) и метода контроля величины диэлектрического отклика (РОС) на действие приложенного электрического поля (спадание тока со временем) даже в зарубежной [Е. ОоскепЬасЬ, А. ЗИауе^ат, М. РагасЬаш, Тарап К. ЭаЬа] практике диагностического контроля состояния не пошло дальше оценки степени увлажнения твердой изоляции.

В этой связи разработка и исследование высокоэффективных систем диагностического контроля состояния маслонаполненного энергетического оборудования, в основу которых положены результаты изучения: процессов поляризации, развивающихся в диэлектрических материалах изоляционных конструкций; основных закономерностей их старения в эксплуатационных условиях; возможностей непосредственного интегрирования разработанных систем диагностики в технологический процесс обслуживания оборудования и обеспечения требуемого уровня его надежности представляют действительно актуальную научно-техническую проблему современных электротехники и электроэнергетики.

Объектом исследования являются изоляционные промежутки силового маслонаполненного оборудования, надежность работы которых обеспечивает не только надежность всего устройства в целом, но и минимум эксплуатационных затрат.

Предметом исследования являются закономерности, описывающие развитие процессов поляризации, в том числе и структурной, лежащие в основе, как формирования эффективного параметра контроля, так и принципиально новых методов диагностики работоспособности маслонаполненного оборудования.

Цель работы. Разработка методов контроля и исследования спектров токов структурной поляризации, развивающейся в объеме изоляционных промежутков маслонаполненного оборудования, и создание на этой основе высокоэффективной системы диагностики состояния подобного рода оборудования, непосредственно интегрированной в технологический процесс обслуживания и обеспечения требуемого уровня надежности электроснабжения при минимуме эксплуатационных затрат.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Дать теоретическое описание конструктивных особенностей изоляционной системы, обеспечивающих механическую прочность, электрическую стойкость и долговечность оборудования в целом. Выбрать и обосновать физическую модель изоляционного промежутка силового трансформатора, отражающую основные закономерности поведения

материалов в сложных эксплуатационных условиях в течение длительного времени.

2. Исследовать химический состав, структуру и свойства основных материалов, формирующих изоляционные промежутки, с учетом современных представлений о механизмах их старения.

3. Разработать комплексный подход к оценке эксплуатационной надежности изоляционного промежутка, отличительной чертой которого является отказ от направленных проверок работающего оборудования и переход к организации эффективно действующей системы управления его длительностью жизни. Учитывая, что увеличение объема контролируемых параметров (за счет включения новых) делает систему более затратной, трудоемкой по времени, неспособной охватить своим вниманием все потенциально опасные трансформаторы.

4. Сформировать основные принципы управления временем жизни изоляционных промежутков. Разработать новые подходы к определению состояния объекта контроля как некоторой физической величины, требующие специальных методов надежной количественной оценки, позволяющие контролировать степень эксплуатационной пригодности энергетического оборудования и обеспечивающие надежное функционирование технологического процесса диагностики.

5. Дать аналитический обзор существующих методов контроля состояния силовых трансформаторов с точки зрения их диагностических возможностей и практической ценности, которые гарантируются наличием глубоко обоснованных норм, устанавливающих допустимые значения параметров контроля, надежностью аппаратурного и метрологического обеспечения анализируемых методов.

6. Сформулировать основные принципы построения диагностической системы, лежащей в основе управления длительностью жизни объекта контроля и базирующейся на результатах системного анализа накопленного опыта эксплуатации оборудования в течение длительного периода времени.

7. Сформировать комплексный параметр контроля состояния изоляционного промежутка, сочетающий в себе характерные черты обобщенного показателя качества, в том числе и повышенную робастность к сторонним неконтролируемым факторам, который может быть принят в качестве количественной характеристики состояния объекта контроля.

8. Разработать методы оценки и контроля состояния изоляционной системы, позволяющие устанавливать степень изношенности материалов, вычислять оставшийся ресурс времени эксплуатации; представить процессы, протекающие в ней, в виде физической модели; предложить аппаратурное оформление методов и их применение для решения ряда практических задач,

представляющих сущность решаемой в работе научно-практической проблемы.

9. Разработать принципы формирования итогового заключения о состоянии контролируемого промежутка на основе результатов первичной обработки собранной информации, ее анализа и результатов подтверждающих и уточняющих процедур. Формализованный вид представления итогового заключения должен соответствовать требованиям программно-аналитического комплекса современных экспертных систем.

• 10. Разработать корректирующие мероприятия, реализация которых обеспечит эксплуатацию маслонаполненного оборудования, находящегося под наблюдением, с требуемым уровнем надежности и долговечности при минимуме эксплуатационных затрат.

Методика исследования поставленных в работе задач базируется на основных положениях теории электропереноса в сложных диэлектрических системах и сводится к определению параметров процесса электропереноса и изучению его основных закономерностей. Исследование процесса электропереноса во временной области 0 600 сек, в которой величина токов поляризации заметно превалирует над уровнем тока утечки, потребовало разработки специальных методов и приемов обработки результатов измерения тока, протекающего в разрядном промежутке, и контроля изменения его во времени. В связи с этим был разработан метод формирования спектров токов поляризации, временная область которых может изменяться в широких пределах.

Вид спектра токов поляризации, его характерные основные черты и параметры показали высокую чувствительность к изменению числовых параметров процесса электропереноса за счет развития структурных нарушений в объеме изоляционного промежутка. Поэтому предложенный в работе метод построения спектра токов поляризации и методы изучения основных его характеристик отличаются высокой эффективностью оценки состояния объектов исследования.

Используемый для измерения плотности тока в разрядном промежутке измерительно-вычислительный комплекс С.А6547, снабженный собственным программным обеспечением и микропроцессорным устройством, позволяет контролировать широкий спектр параметров, характеризующих процесс электропереноса в сложных диэлектрических средах (С/я. , />«>.> Я/л , т , Р1, ДО и др.).

Методы корреляционного анализа, широко используемые в работе, позволили установить функциональные зависимости между основными параметрами, характеризующими состояние контролируемого промежутка, и предоставили возможность эффективно использовать методологию

уточняющих и подтверждающих процедур, что в значительной мере повышает ■ достоверность получаемых оценок. Сюда же относятся методы оценки разрядной активности, методы хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле, методы построения полигона сопротивлений совместно с методами анализа поступающей информации (метод непосредственного сопоставления с аналогом, метод назначенного лидера, метод структурирования функций качества, метод вычисления обобщенного индекса поляризации).

Для обоснования разработанного метода контроля состояния изоляционных промежутков кроме материалов теоретического описания отклика диэлектрической среды в выбранной временной области и математического моделирования процесса электропереноса в сложных диэлектрических средах (двухслойный конденсатор Максвелла) в распоряжении автора работы были результаты экспериментального исследования всех изоляционных промежутков 75-ти силовых трансформаторов (110/35/ 10(6) кВ) при трех уровнях тестирующего напряжения (500,1000, 2500 кВ), полученные при испытании трансформаторов в полевых условиях, а так же результаты хроматографического анализа каждого из 75 трансформаторов, предоставленные штатными лабораториями ОАО «Смоленскэнерго», ОАО «Брянскэнерго», ОАО «МОЭСК». Таким образом, методы контроля состояния изоляционных промежутков, представленные в этой работе, имеют не только глубокое теоретическое обоснование, но и убедительное экспериментальное подтверждение.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, и основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые выявлены основные закономерности изменения токов поляризации в сложных диэлектрических средах изоляционной системы силового маслонаполненного оборудования от времени его эксплуатации. Их достоверность подтверждается обширным экспериментальным материалом, представляющим собой результаты исследования токов поляризации в изоляционных промежутках 75 трансформаторов напряжением И 0/3 5/10(6)кВ, возраст которых находится в диапазоне 20 + 56 лет.

2. Анализ представленного в работе массива экспериментальных результатов позволил:

• выделить временную область, в которой превалируют процессы структурной поляризации, что позволило обеспечить высокую чувствительность методов, предлагаемых в работе, к изменению состояния изоляционных систем маслонаполненных трансформаторов;

• сформировать спектр токов поляризации и выделить его основные параметры, обладающие повышенной чувствительностью к

изменению свойств материалов, работающих в изоляционных промежутках силового трансформатора; • разработать комплексный показатель состояния изоляционного промежутка в виде обобщенного индекса поляризации (tpi - total polarization index), представляющий собой максимальное значение функции [t'l(t)]mca, и позволяющий представить выявленные в работе закономерности в обобщенном виде.

3. Обнаружена высокая чувствительность разработанного параметра tpi к условиям и времени эксплуатации маслонаполненного оборудования, которая позволяет поставить под инструментальный контроль параметры изоляционной системы (W% - степень увлажнения твердой изоляции; степень ее полимеризации - DP; интенсивность разрядной активности - а; время жизни -4.), определяющие надежность и долговечность ее работы в сложных эксплуатационных условиях. В результате контроль параметров спектров токов поляризации предоставляет широкие возможности для создания диагностических систем высокого уровня.

4. Установлена адекватность значений комплексного показателя качества 0 = изоляционного промежутка значениям его комплексного

показателя изношенности 6(0 = , представляющим, по существу, свертку спектра токов поляризации (X] - относительная величина i-ro параметра контроля промежутка, а I, - значения тока поляризации в i-ые моменты времени), которая упрощает анализ спектров тока поляризации и расширяет возможности предлагаемых в работе методов диагностирования состояния контролируемого оборудования.

5. Разработаны методы обработки и анализа получаемой на опыте информации, обеспечивающие физическую обоснованность, надежность и достоверность получаемых оценок состояния контролируемого оборудования:

- метод диагностики силовых трансформаторов на основе рангового распределения значений обобщенного индекса поляризации tpi позволяет определить объекты в составе техноценоза, имеющие аномальные значения контролируемого параметра;

- метод реперных кривых позволяет сформировать представление о состоянии контролируемого оборудования и величине его ресурса;

- метод назначенного лидера, включающий в себя модернизованный в работе метод структурирования функций качества, позволяет оценить степень близости спектра тока поляризации контролируемого изоляционного промежутка его аналогу;

- метод скользящего среднего позволяет провести разграничение исследуемых трансформаторов по скорости их старения и оценить величину оставшегося ресурса работы контролируемого оборудования;

- метод треугольника состояний позволяет идентифицировать физическую природу обнаруженного дефекта изоляционной системы;

- метод анализа разрядной активности контролируемого промежутка позволяет по интенсивности разрядов в контролируемом изоляционном промежутке судить о степени опасности структурного нарушения;

Достоверность полученных результатов. Сформулированные в работе основные положения и выводы имеют достаточное теоретическое обоснование, не противоречат используемой физической модели (двухслойного конденсатора Максвелла), раскрывающей все многообразие явлений, развивающихся в изоляционном промежутке, и базируются на обширном экспериментальном материале, отражающем многолетний опыт эксплуатации маслонаполненного оборудования. Точность измерения плотности тока, протекающего в изоляционном промежутке, (±5%) и построение спектров токов поляризации гарантируется применением контрольно-измерительного оборудования (С.А6547), имеющего российский и зарубежный сертификаты.

Математические модели, представленные в работе в виде системы регрессионных уравнений, устанавливающие функциональную взаимосвязь между параметрами контроля, хорошо детерминированы. Коэффициент детерминации во всех случаях был не меньше Я2 = 0,85. Система уточняющих и подтверждающих процедур, использующая хорошо детерминированные математические модели, обеспечивает возможность контроля степени соответствия процессов, развивающихся в контролируемом изоляционном промежутке, принятой в работе физической модели и тем самым повышает обоснованность и достоверность получаемых оценок состояния контролируемого оборудования.

Практическая значимость работы. Метод оценки состояния высоковольтного маслонаполненного оборудования, основанного на измерении и анализе плотности тока поляризации и изменении его во времени, представлен в работе в виде законченного решения сложной научно-технической проблемы, связанной с обеспечением надежности длительной эксплуатации состарившегося оборудования. Отличительная особенность данного метода заключается в том, что под непосредственным инструментальным контролем находятся свойства и состояния, как жидкого диэлектрика (трансформаторного масла), так и твердого диэлектрика, что существенным образом расширяет диагностические возможности метода по сравнению с существующими.

Предложенные в работе методы и способы выделения временной области, в которой развиваются процессы структурной поляризации, обусловленные накоплением носителей электрического заряда на границе раздела масло-твердый диэлектрик, построение спектра токов поляризации и

разложение на составляющие его элементы позволяют контролировать природу, интенсивность и степень опасности развивающегося дефекта. К тому же получаемые числовые значения степени увлажненности твердой изоляции (W%), степени полимеризации целлюлозы - основной компоненты изоляционных бумаг (DP), величины оставшегося ресурса времени эксплуатации • (/ж.) и интенсивности разрядной активности контролируемого промежутка дают непосредственное восприятие состояния объекта наблюдения и позволяют обоснованно сформулировать корректирующие мероприятия, реализация которых обеспечивает надежную эксплуатацию состарившегося оборудования. Все это и составляет физическую сущность современной парадигмы управления длительностью жизни состаренного маслонаполненного оборудования.

Разработанные и используемые в работе методы: метод непосредственного сопоставления спектров поляризации с аналогом (метод назначенного лидера), метод реперных кривых, метод треугольника состояний, метод скользящего среднего, метод структурирования функций качества (упрощенный его вариант), метод оценки разрядной активности изоляционного промежутка, органично входящие в структуру предложенного комплексного метода диагностики состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования, могут иметь и самостоятельное применение: при оценке качества поставляемого оборудования, качества его ремонта и при решении ряда других аналогичных задач.

Важной практической особенностью представленной работы является использование метода ранговых распределений, позволившего в качестве базы сравнения использовать весь накопленный опыт исследования состояния маслонаполненного оборудования. С этой целью имеющийся массив данных был представлен в виде ранжированного ряда значений контролируемого параметра, для каждого значения которого известен доверительный интервал с заданным уровнем доверительной вероятности Рд. Это позволило отказаться от применения уровней тревоги, значения которых рекомендованы в существующих РД и практика применения которых в целях диагностики силовых трансформаторов показала их низкую эффективность.

Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались: 2-я Международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томский политехнический университет, апрель 1996 г.; Международная научно-техническая конференция «Сертификация и управление качеством продукции», Брянский государственный технический университет, октябрь 1999 г.; Международная научно-техническая конференция «TQM- 99», Минск, 1999 г.; 10-я международная конференция по менеджменту качества, «TQM -2000»,

Москва, май 2000 г.; Международная научно-техническая конференция «Сертификация и управление качеством продукции». Брянск, май 2002 г.; У-ая Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты», 1СЕМС-2004. Крым, Алушта, 2002, 2006, 2008 г.г.; Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы энерготехнологии». Иваново, 2007, 2009, 2011 г.г.; Международный семинар «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», МЭИ, Москва, 2007г.; VII - ая Международная научно-практическая конференция «Электроизоляционные материалы и системы изоляции вращающихся электрических машин - 2009», п. Бекасово, Наро-Фоминский район, Московская область, май 2009 г.; 1У-ая Международная научно-техническая конференция «Силовые трансформаторы и системы диагностики», международная ассоциация ТРАВЭК, Москва, июнь, 2009 г.; 3-я Международная научно-техническая конференция «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», Белор.-Росс. университет, Могилев, октябрь 2009 г.; Международная научно-техническая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», МЭИ, Москва, июнь 2010 г.; Научно-практическая конференция и семинар по темам «Современное состояние и проблемы разработки и внедрение нормативно-технической документации по диагностированию силового электрооборудования» и «Общие проблемы диагностирования силового электрооборудования», УрЦОТЭ, г.Пермь, сентябрь 2011 г.; Материалы докладов Международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 2011г.; 2-я Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», НИУ МЭИ, Москва, июнь 2012 г.; Материалы 18-го пленарного заседания Общественного Совета специалистов по диагностике силового электрооборудования по теме «Анализ эффективности методов средств диагностирования силового электрооборудования», УрЦОТЭ, Свердловская обл., г. Среднеуральск, сентябрь 2012 г.

Публикации. Результаты исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 35-и опубликованных работах, из которых 11 входят в список изданий, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций, в том числе 2 патента РФ, и заявки на получение патента РФ.

Личный вклад автора. Изложенные в диссертации результаты исследований являются частью работ, выполняемых по одному из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ -

«Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», затрагивающих вопросы повышения надежности и устойчивости функционирования энергетических устройств, в которых автор лично принимал участие.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит: подбор и анализ имеющейся информации, составление литературного обзора по материалам отечественной и зарубежной литературы, формирование основных принципов управления временем жизни маслонаполненных трансформаторов, постановка задач, разработка теоретических и методологических положений, составление программ проведения лабораторных и полевых испытаний эксплуатируемого оборудования, разработка алгоритмов диагностики состояния, анализ результатов исследований и разработка практических рекомендаций.

Внедрение результатов работы. Предложенные в данной работе методы диагностики оценки состояния изоляционных промежутков маслонаполненных трансформаторов, находящихся в эксплуатации длительное время, были использованы на протяжении последних семи лет в филиалах ОАО «МРСК Центра» - «Смоленскэнерго», «Брянскэнерго», ОАО «Московская объединенная электросетевая компания», а также используются на предприятии ОАО «Свердловэнергоремонт», что подтверждается предоставленными отзывами о результатах работы, актом об оказании услуг по диагностике изоляции высоковольтного электрооборудования и экспертными заключениями по результатам материалов проекта: «Разработка методики управления временем жизни маслонаполненного энергетического оборудования с помощью формирования спектров токов поляризации изоляционных промежутков контролируемого оборудования».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 374 страницах основного текста и состоит из введения, шести глав, заключения, 5 приложений, содержит 146 рисунков, 43 таблицы, 299 наименований литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор научного направления, актуальности и практической значимости представленной работы, а так же сформулированы ее цель, задачи, научная новизна и положения, выносимые на защиту.

В первой главе показано, что силовые маслонаполненные трансформаторы высокого класса напряжения являются важнейшей частью системы генерации и распределения электрической энергии и отличаются не только сложностью конструкции, включающей в себя систему элементов

находящихся под напряжением, систему заземления, изоляционную систему, но и тяжелейшими, а в ряде случаев непредсказуемыми условиями работы.

Анализ эксплуатационных нагрузок, действующих на изоляционную конструкцию силового трансформатора, подразделяет их на четыре основных вида: электрические нагрузки, возникающие в результате коммутационных и атмосферных перенапряжений; тепловые нагрузки, связанные с термическими перенапряжениями и термическими пиками, ускоряющими процесс старения изоляции; механические нагрузки в аварийных режимах достигают повышенных значений, способных вызвать нарушение сплошности работающего изоляционного материала; физико-химические воздействия на изоляцию возникают при ее взаимодействии с охлаждающей средой и металлическими элементами конструкции трансформатора.

В результате эксплуатируемое оборудование такого типа, как объект контроля, оказывается очень сложным, не допускающим в большинстве случаев прямых методов измерения параметров контроля, а теоретический анализ его состояния встречает, практически, не преодолимые трудности.

Конструктивно главная изоляция представляет собой комбинацию масляных промежутков с барьерами в виде цилиндров и угловых шайб из электрокартона или кабельной бумаги.

Пытаясь смоделировать работу изоляционной системы в формализованном виде, на практике пользуются общими представлениями о конструкции изоляционных промежутков, представляя их в виде упрощенной модели, удобном для описания процессов старения электрической изоляции (рисунок 1,а). Изоляционный промежуток как часть изоляционной системы силового трансформатора обычно представляют в виде некоторой физической модели - двухслойного конденсатора Максвелла, так называемой Х-модель (рисунок 1,6).

Рисунок 1, а). Упрощенный вид изоляционных промежутков в силовых трансформаторах (ЬУ-обмотка низкого напряжения; НУ- обмотка высокого напряжения); б). Упрощенная X модель изоляционного промежутка силового трансформатора

Она позволила найти вид функции диэлектрического отклика , определяемый временной зависимостью тока деполяризации

которая и лежит в основе оценивания состояния изоляционной' конструкции и несет основную информацию о степени ее старения, выделить интервалы времени, в которых наибольшую роль играет тот или иной тип материала. Наличие границы раздела диэлектрических слоев в таком двухслойном конденсаторе обуславливает появление особого вида поляризации — структурной поляризации, подчиняющейся закономерностям релаксационной поляризации Дебаевского типа.

Этот вид поляризации развивается в макроскопических областях диэлектрической структуры. Из этого следует, что время релаксации таких процессов будет измеряться уже не миллисекундами и не секундами, а десятками и даже сотнями секунд. Обычно такие процессы, развивающиеся в области инфранизких частот, исследуются с помощью тщательного изучения характера изменения поляризационных или деполяризационных токов во времени, устанавливая вид функции диэлектрического отклика исследуемой изоляционной системы.

Общий ток, протекающий в таком изоляционном промежутке, может

быть выражен следующим образом:

и + и

Л,Л2(С1 + С2)2 ' ш

где первый член представляет собой ток утечки, определяемый полным сопротивлением изоляции, второй - ток затухания с постоянной времени т.

Из этого уравнения следует, что величина абсорбционного тока, определяющая функцию диэлектрического отклика изоляционной системы, имеет вид:

=,- т =_Ч.__ч/г

Если соотнести это уравнение с изоляционной системой силового трансформатора, то С\, - являются электрическими параметрами ее бумажно-картонной основы; С г, Л2 - электрическими параметрами трансформаторного масла.

Гипотетическая зависимость тока от времени приложения напряжения для бумажно-масляной изоляционной конструкции, исходя из представленного выше анализа, будет иметь вид, представленный на графике (рисунок 2).

Полученная таким образом функция диэлектрического отклика изоляционной системы силового трансформатора делает этот метод весьма

перспективным для целей диагностики состояния изоляционного промежутка в целом, т.к. при ухудшении бумажно-картонной части изоляционной конструкции за счет процессов старения или увлажнения, ее электрическое сопротивление уменьшается. Т.о. уменьшается величина (И^С] - КгС?), что существенным образом деформирует всю временную зависимость абсорбционного тока. Следовательно, интенсивность этой поляризации и временной интервал, в котором она развивается, определяются свойствами контактирующих материалов. В результате предоставляется возможность оценивать состояние изоляционного промежутка по совокупности свойств материалов, работающих в нем.

""ШТи

Проводимость масла

Рисунок 2. Гипотетическая зависимость тока в изоляционном промежутке от времени приложения напряжения (стрелками указанны возможные перемещения зависимости за время эксплуатации трансформатора)

Во второй главе приведено описание диэлектрических материалов, используемых для формирования изоляционной системы силового трансформатора. При этом подчеркивается тот факт, что изоляционная система трансформатора, состоящая из специально обработанной бумаги на основе целлюлозы и минерального масла, оказывается одной из важнейших систем, так как определяет надежность и эффективность работы трансформатора.

Сконструированная, таким образом, изоляционная система трансформатора обеспечивает устойчивость его изоляционных промежутков, представляющих собой резко неоднородную диэлектрическую среду непосредственно контактирующих материалов, к действию приложенных эксплуатационных нагрузок. Поэтому все используемые методы контроля и мониторинга состояния изоляционной системы по своей физической природе разделяются на две большие группы. А именно:

- методы, основанные на контроле параметров трансформаторного масла;

- методы непосредственного контроля состояния бумаги, из которых начинает выделяться (если уже не выделилась) еще одна группа методов:

- методы, связанные с измерением количества воды, находящейся в твердой изоляции.

Все эти методы направлены на установление скорости старения (деструкции) работающих в изоляционном промежутке трансформатора материалов и степени влияния действий сторонних факторов: влажности, температуры, процессов окисления и т.д.

Учитывая динамическую природу поведения масла в изоляционных промежутках трансформатора, в работе констатируется, что даже тщательное изучение свойств и параметров взятых проб трансформаторного масла с целью диагностической оценки состояния изоляционной конструкции, как правило, является необходимым условием, но не всегда достаточным.

Особые надежды возлагаются на метод оценки концентрации фурана и его производных, растворенных в масле, так как образование этих соединений в изоляционном промежутке непосредственно связано с деструкцией полимерных цепей целлюлозы и уменьшением степени полимеризации (DP).

Например, по Chendong DP = (1,51-Iog(2-FAL))/0,00380

Однако обширные исследования данного метода пока не увенчались успехом. Это связано с тем, что хотя и существуют достаточно сведений, касающиеся вопроса генерации фурана и его производных, точный механизм деструкции полимерных цепей остается до конца не раскрытым. Установлено три возможных механизма деградации целлюлозы (пиролиз, гидролиз и окисление), но остается не выясненным какой из них точно имеет место в трансформаторах, и какой конечный продукт, кроме 2-фурфуроддегида, образуется.

С точки зрения управления длительностью жизни состарившегося парка трансформаторного оборудования не менее важной по степени влияния является вода и особенно ее концентрация в твердой изоляции, что подтверждается данными американской компании «Omicron» (рисунок 3)

Вода подобно кислороду может проникать в объем работающего трансформатора за счет недостаточной герметичности бака и через систему открытого дыхания, а может генерироваться в процессе старения твердой изоляции. В результате это приводит к развитию разрядной активности, снижению электрической прочности бумаги, ускорению процессов старения и в итоге к преждевременным отказам.

Поэтому содержание влаги, особенно в твердой изоляции, приобретает характер важного параметра диагностики. Но отсутствие прямых методов контроля содержания влаги, влияние сторонних факторов, высокая ее динамичность не позволяет обеспечить этому параметру статус достаточности.

Основная масса воды находится в целлюлозе

Масса минерального масла -100 000 ке Д Содержание воды при Т=60пС - 40 ррт £ 4кц Масса твердой изоляции -13^000 Содержание воды при Т=60°С - 4% й 520 кя

Рисунок 3. Содержание влаги в изоляционной системе трансформатора Материалы, приведенные в главе, указывают на то, что, в принципе, на основе контроля параметров твердой изоляции, если существуют надежные методы их оценивания, может быть сформирована корректная методология оценки ресурса и состояния изоляционного промежутка силового трансформатора.

В третьей главе выделены основные моменты зарождающейся современной системы обеспечения эксплуатационной надежности' силового оборудования, которые характеризуются:

1. Наличием большого числа состарившегося оборудования. Т.к. свыше 60% трансформаторов, находящихся в распределительных сетях эксплуатируются более 25 лет (ежегодно их количество увеличивается на 200 единиц), то продление жизни состарившегося трансформатора на 20-30 лет экономически значительно выгоднее его замены новым. Поэтому наиболее актуальной задачей современной электроэнергетики является продление срока эксплуатации состаренного парка силовых трансформаторов.

2. Новыми подходами, направленными на управление временем жизни силового трансформатора. Для чего жизненный цикл эксплуатируемого оборудования рассматривается как последовательность его состояний, изменяющихся под действием эксплуатационных нагрузок.

3. Формированием параметра контроля, обладающим мощным информационным потенциалом.

4. Стремлением создать эффективно действующую систему управления жизнью изоляционной системы трансформатора, параметром управления в которой является состояние оборудования, как некоторая квазифизическая величина, подлежащая измерению или надежному оцениванию.

При оценке состояния трансформатора приходится учитывать представления о нем как о сложной технической системе, состоящей из множества подсистем каждая из которых имеет свое функциональное значение и свой уровень надежности. Система оказывается многопараметрической, а процесс оценивания его состояния - трудоемким.

Существующие нормативно-технические документы рекомендуют использовать большое число контролируемых параметров для оценки состояния силового трансформатора, что приводит к появлению многочисленных методов и методик.

Наиболее распространенными методами является метод хроматографического анализа растворенных газов (ХАРГ), в котором оценивается концентрация и вид растворенного газа в масле, и метод разрядной активности промежутка. Из них наиболее эффективным является метод ХАРГ, в котором скорость нарастания газовой компоненты может быть рассчитана по величине температуры, что позволяет установить соотношение между величиной концентрации газа и действующей температурой.

В настоящее время показателем состояния изоляционной системы трансформатора является не столько химическая природа газа, сколько отношение их концентраций, поэтому на практике для оценки состояния чаще используют методы отношений концентраций ключевых газов и метод треугольника ПиуаГа.

Метод треугольника ОиуаГа использует представление о равностороннем треугольнике, сторонами которого являются оси, на которых откладываются относительные концентрации газов: СН4, С2Н4 и С2Н2 в процентах от их суммарной концентрации. Вся площадь такого треугольника разбита на зоны, каждая из которых символизирует определенный вид дефекта, зарождающегося в объеме силового трансформатора.

Кажущаяся простота и высокая популярность рассматриваемых подходов не исключают трудности, связанные с применением их на практике. Требуется определенный опыт и соответствующие навыки. Диагностика отказов работающего оборудования все еще остается скорее искусством, нежели научно обоснованной инженерной деятельностью, так как приходится во многих случаях полагаться на опыт и мастерство эксперта.

В методе регистрации интенсивности частичных разрядов, основными параметрами являются: величина кажущегося заряда которым обладает единичный разряд; частота повторения таких единичных разрядов и; фазовый угол (место нахождения разряда в периоде переменного напряжения) (р. или время начала формирования разрядного импульса; средний ток частичных разрядов I, мощность разрядов Щ напряжения возникновения и,- и погасания ие частичного разряда.

Основным преимуществом оценки состояния изоляционных промежутков с помощью контроля интенсивности разрядной активности является его способность идентифицировать возможный тип дефекта, локализовать место возникновения и оценить его влияние на величину остаточного ресурса высоковольтной изоляции. Например, в случае обнаружения источника

разрядной активности в главной изоляции следует ориентироваться на уровни максимального значения кажущегося заряда д частичного разряда в соответствии с РДО 0410-02 «Методические указания по продлению срока службы силовых трансформаторов».

Несмотря на всю привлекательность данного метода, он все еще остается на стадии окончательной доработки, его внедрение сопряжено с большими трудностями, трудоемкостью реализации и неоднозначностью получаемой информации.

Тепловизионный контроль работающего энергетического оборудования предоставляет возможность получения качественной оценки его технического состояния и выявления достаточно большого числа возникающих неисправностей. Многие из числа появляющихся неисправностей не поддаются непосредственному контролю и наблюдению, например, возникновение магнитных полей рассеивания в трансформаторе за счет нарушения изоляции элементов магнитопровода; нарушения в работе охлаждающей системе, изменение скорости циркуляции масла в баке; разбухание или смещение изоляции обмоток; перегрев внутренних контактных соединений и т.п.

В основе термографического анализа используется зависимость степени перегрева элементов трансформаторов от условий эксплуатации, например, от условий или нагрузки.

Анализ результатов исследования позволяет в определенной степени классифицировать работающее оборудование по степени его надежности, что свидетельствует о возможностях термографической диагностики силовых трансформаторов. Однако практическая реализация метода вызывает существенные затруднения, связанные с неопределенностью параметра контроля. Тем не менее, термографическая диагностика все еще остается основным индикаторным средством оценки состояния энергетического объекта, который предполагает проведение дополнительных мероприятий для определения места и характера очага тепловыделения.

Оценка средней долговечности электротехнического оборудования, находящегося в эксплуатации, является предметом постоянного внимания разработчиков и многочисленных служб эксплуатации. Все существующие в настоящее время подходы к оценке оставшегося ресурса времени в работе разделены на несколько видов:

1. Статистические, когда, пренебрегая физической сущностью механизма старения работающей изоляционной системы, оцениваются параметры, характеризующие распределение интервалов времени до разрушения при заданной величине действующих напряжений.

2. Феноменологические, когда пытаются оценить скорость разрушения диэлектрика при заданных параметрах окружающей среды и действующих нагрузках.

3. Физические подходы, когда моделируют процессы разрушения диэлектрика, развивающиеся с определенной скоростью во времени. Для этого в них используются корреляционные зависимости прочностных параметров материала с параметрами, находящимися под контролем.

Например, экспериментально установлено, что снижение степени полимеризации до ОР= 250 уменьшает механическую прочность бумажной изоляции на 50%, что делает дальнейшую ее эксплуатацию в работающем трансформаторе проблематичной.

Применение перечисленных выше подходов требует определения значений многих неизвестных констант, которые обычно получают из опытных данных, что делает их трудоемкими и малопригодными для диагностики состояния изоляционной системы силовых трансформаторов.

В главе 4 рассматривается проблема формирования эффективного параметра контроля, который отличается не только высокой чувствительностью к изменению состояния исследуемого объекта, но и сочетает в себе возможности комплексного показателя качества. Понимая при этом, что современная методология оценивания состояния изоляционных промежутков не может ограничиться только оцениванием значений контролируемых параметров, знание которых необходимо, когда решение принимается на основе имеющейся информации о зонах их допустимого отклонения (теория Тейлора). Поэтому требуются новые подходы, новая методология, новые методы измерения и обработки результатов контроля состояния изоляционной системы.

Используемые в работе подходы к выбору и формированию параметра контроля придерживаются трехстадийной концепции обеспечения качества О.Та§исЫ (принимая во внимание, что надежность работы оборудования по Г.Г. Азгольдову представляет собой качество, развернутое во времени) и уделяют особое внимание электрическим свойствам и параметрам изоляционных промежутков. Последнее связано с тем, что электрические параметры имеют широкий спектр аппаратурного оформления, хорошо разработанное метрологическое обеспечение, легко встраиваются в систему автоматического сбора, обработки и хранения получаемой информации при достаточно высокой чувствительности их значений к изменению состояния контролируемого устройства.

Рассматриваются такие достаточно известные параметры как Кщ, Сцз, 1ут, т, Р1, БАК, £>£>. Показано, что многие из них обладают хорошими диагностическими свойствами:

W% = - 4,82 ■/gfP/)+3,2573 ; (3)

где W% - влажность бумаги в процентах; PI - индекс поляризации;

„-<2,3067-0,0105Tyw/a

т — ) " & - время релаксации;

А(Т) = 3,4798? - 161,29Т2 + 2638,7Т- 10818

и могут быть использованы для контроля состояния изоляционного промежутка, с помощью специально сконструированного для этого комплексного показателя:

Q(x) = Цщ-х), (4)

где а; - коэффициенты весомости; xi - относительная величина единичного показателя состояния.

Важным результатом, обсуждаемым в данной главе, является формирование принципиально нового параметра контроля, представляющего собой произведение t-I(t), которое по своей физической природе представляет величину, пропорциональную коэффициенту диэлектрических потерь t-I(t)=const-s". В отличие от е" величина t-I(t) может быть легко измерена обычными методами в широком временном интервале (10"2 + 104 сек).

Показано, что значения перечисленных ранее параметров (Лда., Сщ, 1У„ , г, PI, DAR, DD) являются по сути отдельными точками на зависимости 1(1) (рисунок 5). Поэтому функциональная зависимость t-l(t) представляется обобщающей характеристикой электрических свойств изоляционного промежутка и наиболее полно отражает его состояние.

В общем случае зависимость [t-I(t) = f(t)} представляет собой кривую, проходящую через максимум, величина которого и положение на временной оси несут основную информацию о состоянии контролируемого изоляционного промежутка. Поэтому в работе при анализе токов поляризации особое внимание привлекает максимальное значение зависимости t-I(t) =f(t') , которое обладает рядом интересных свойств.

Во-первых, место нахождения максимального значения функции [t-I(t)]mx соответствует временному интервалу, в котором интенсивность структурной поляризации, связанной с наличием границы раздела масло - твердый диэлектрик, максимальна.

Вид полученной зависимости спектра токов поляризации графически представляет собой сумму плохо разрешенных релаксационных максимумов, которые в работе выделяются, используя графоаналитический метод разложения спектра Hideharu Matsuura и Takashi Hose. Это позволило выделить основной максимум, лежащий в интервале времени 0 + 400 сек, отвечающий за процессы накопления объемного заряда на границе раздела бумага-масло и максимум, в интервале 400 + 600 сек, связанный с мелкими структурными нарушениями твердой изоляции (рисунок 6).

-11/1,=60 |

-\DD4JUC,

ШШзойт

т

1ьо Ьо

Ьоо

1ут, ~ 1б00

30 60

а)

600 I (сек)

1р<= [V !(!)]„

200 300 Время в сек.

_б)_

Рисунок 5. Физическая сущность основных параметров, используемых для оценки состояния изоляционных промежутков

Общий вид спектра и отдельных его полос поглощения

И=375,4 ГОм ОАЯ~2,!17 Р1 = 6,837 С = 28,96 нФ I = 5,62нА 1,084 (р! = 387,9 т= 1087 с

Рисунок 6. Общий вид спектра токов поляризации и его основных максимумов

Во-вторых, наблюдается достаточно хорошая корреляционная связь 1/'ОД]тах со значениями рассмотренных выше точечных параметров, что придает ему характер обобщающего параметра контроля (таблица!).

Таблица 1

Корреляционная матрица для промежутков [НН-ВН, СН, Бак]

Ли. [ИЩш, Р1 йАЯ до г Лии Я

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 1

2 -0,26007 1

3 -0,73684 0,557616 1

4 -0,75286 0.580577 0,9968 1

5 -0,76314 0.716222 0,9223986 0,9286321 1

6 -0,72547 0,154684 0,7377916 0,7511512 0,5882687 1

7 -0,57023 0,871755 0,7944737 0,7973751 0,9342228 0,316863 1

8 0,647383 -0,85017 -0,684317 -0,715226 -0,876537 -0,470141 -0,87881 1

9 -0,74783 0,631291 0,9927027 0,9956212 0,9473446 0,74313 0,834017 -0,761462 1

Значения индекса поляризации

Значения 1р\

Рисунок 7. Корреляционная

зависимость 1р1(Р1), у=59,029х-56,391; Я2=0,958

Рисунок 8. Зависимость времени жизни изоляционного промежутка от величины обобщенного индекса поляризации

Наиболее устойчивая связь существует между сконструированным параметром контроля ]тах и величиной индекса поляризации Р1. При коэффициенте детерминации Р2 = 0,958 функциональная зависимость между этими параметрами оказывается практически линейной (рисунок 7).

В-третьих, установленная на опыте зависимость ?жвз. =/[/-/(У]тах является убедительным доказательством того, что предлагаемый в работе параметр контроля [?7(У]тах является структурно чувствительным и может служить основой метода контроля величины остаточного ресурса времени силового оборудования, названный - «метод скользящего среднего» (рисунок 8).

С учетом стохастического характера старения материалов, работающих в изоляционных промежутках, пунктирная кривая на рисунке 8 представляет собой математическое ожидание случайной функции г^ = У[/рг']> которая описывает процесс старения некоторого среднестатистического изоляционного промежутка с помощью зависимости обычного типа

гж=А-(ф1у (5)

здесь А и п - некоторые константы, значения которых можно найти по экспериментальным результатам, используя, например, метод наименьших квадратов.

Особенностью полученной таким образом зависимости является то, что с ее помощью удается провести разграничение трансформаторов по скорости старения его ■ изоляционных материалов. Если значение грг лежит выше среднестатистической зависимости, то изоляционная система исследуемого трансформатора имеет повышенную скорость старения, если ниже -пониженную скорость старения, что в конечном итоге позволяет оценить величину оставшегося ресурса времени эксплуатации контролируемого оборудования. При этом следует задать величину предельно допустимого срока эксплуатации, например, ¿,игаз„„ „ред. = 70 лет.

Для облегчения восприятия получаемых результатов оценивания состояния изоляционных промежутков была сконструирована диаграмма (рисунок 9). В ее основе лежит устойчивая связь 1р1 с индексом поляризации Р1 (рисунок 7), значения которого проранжированы в зависимости от состояния изоляционной конструкции, что позволило построить семантическую шкалу состояний, соответствующую измеряемым значениям 1р\.

Одновременно на этой диаграмме приведена шкала, устанавливающая связь между значениями и соответствующими среднестатистическими величинами времени жизни. Все это позволяет оценить не только состояние изоляционного промежутка, но и величину оставшегося ресурса времени эксплуатации контролируемого оборудования.

Диаграмма возможных состояний изоляционных промежутков силовьк трансформаторов

1,1 1,6 2,1 Р|

Рисунок 9. Диаграмма оценки состояния изоляционных промежутков силовых трансформаторов

В-четвертых, сильная корреляционная связь {1-Щ]тах с величиной комплексного показателя (3(х) (формула 4) и (таблица 1) еще раз свидетельствует о том, что данный параметр действительно отвечает требованиям общности, комплексности и интегральное™. Это позволило в

работе придать данному параметру особый статус, воспринимая его как обобщенный (наиболее общий) индекс поляризации и обозначить его аббревиатурой (total polarization index) tpi= \t-I(t)\mm.

Все остальные результаты, приведенные в данной главе, не противоречат сформулированному выше заключению.

В пятой главе формулируются требования к используемой аппаратуре, обычно применяемой в электрометрии для измерения плотности токов поляризации и тока утечки в изоляционных промежутках. Используемые при этом электрометрические усилители постоянного тока должны отличаться высокой стабильностью коэффициента усиления, низким уровнем дрейфа нуля, повышенной защищенностью входных цепей и высоким уровнем их изоляции относительно заземленных частей устройства. Всем этим требованиям отвечают современные системы измерения малых токов, в том числе, и измерительно-вычислительный комплекс С.А6547, который для этих целей использовался в работе (рисунок 10).

Компьютерное управление работой данного устройства позволяет не только измерять величину протекающего тока, но и проводить первичную обработку получаемых результатов.

Рисунок 10. Схема измерения зависимости 1(1) для изоляционного промежутка высоковольтного трансформатора Анализируется проблема измерения «истинного» сопротивления изоляционной конструкции. Констатируется, что результаты расчета искомого значения с помощью существующих физических моделей могут рассматриваться в качестве первичных приближений, что не всегда удовлетворяет требованиям современной диагностики.

Температура изоляционного промежутка в процессе измерения величины его сопротивления рассматривается в работе не как нагрузочный фактор, а как сторонний фактор, влияние которого может привести к существенным погрешностям конечного результата измерения. Поэтому температура регистрировалась с помощью измерения активного сопротивления обмотки фазы В.

Структурная (межслойная) поляризация, вносящая основной вклад в величину диэлектрического отклика, оказывается наиболее полезной для диагностики, так как проводимости масла (10"13~ 10"'° S/m) и бумаги (10"16-10"13 S/m) существенно различны. Если поставить под контроль процессы структурной поляризации, то предоставляется возможность контролировать состояние масла и бумаги одновременно, и как следствие этого, состояние всего изоляционного промежутка. Построение поляризационного спектра (функции отклика изоляционной системы на действие внешнего электрического поля) и выделение его основных полос производится по

120 В 100

Р»

а)

О 10020030040050060С Время, сек

б)

s S

0 100 200 300 400 500 60< Время, сек

Выделение области структурной поляризации

в)

1 00 200 300 400 500 60 Время, сек

I(t) = 4,43831E-12-tA4 - 7,59218Е-9-1лЗ + 4,90110E-6tA2 - 0,00149-t + 0,19405

Пол яризационныи спектр поглощения

Ш2

— О

Ч;:!;.

О 100 200 300 400 500 60 Время, сек

д)

Выделение основных полос поглощений

S

£

О 100 200 300 400500 60 Время, сек

- МякоЭ — Макс1

- Макс общ,_

Рисунок 11. Этапы построения поляризационного спектра изоляционного промежутка и выделения его основных полос Первичная информация согласно этой схеме представлена в виде временной зависимости активного сопротивления изоляционного промежутка в интервале времени [5-^600]сек. (рисунок 11,а). На следующем этапе полученные результаты преобразуются в зависимость тока поляризации от времени в том же временном интервале (рисунок 11,6). На построенной зависимости /{() выделяется та его часть, которая определяется процессами установления структурной поляризации, т.е. [100-^600] сек (рисунок 11,в). В этих пределах временная зависимость Щ с помощью метода наименьших квадратов представляется в виде аппроксимирующего ее полинома четвертой

4

степени = позволяющего воспроизвести полный отклик

ы

изоляционной системы в интересующем нас интервале времени. Полученная функция отклика диэлектрической системы представляется в виде поляризационного спектра более удобного для анализа (рисунок

11,г), на котором просматриваются два максимума, плохо разрешенных друг относительно друга. Используя графоаналитический метод экспериментальных

данных Н.ГуМвиига и Т.Нове, удается разделить области существования максимумов и оценить их основные параметры (рисунок 11,д).

Интенсивность этого отклика, его характерные черты и особенности несут в себе практически всю информацию о состоянии контролируемой изоляционной системы. Однако, представление этой информации в виде количественных оценок состояния контролируемого объекта возможно только при наличии физически обоснованной базы сравнения, представленной в виде некоторой шкалы. В настоящее время такой шкалы не существует. Поэтому были разработаны методы, которые позволили представить получаемую информацию в виде количественных оценок состояния оборудования, находящегося под контролем.

Так выявленные физические закономерности изменения вида поляризационного спектра во времени позволили предложить новый способ определения состояния и ресурса работающей изоляционной конструкции (Патент РФ №2373546). Суть его заключается в том, что экспериментально измеренный спектр поляризационного тока, представленный зависимостью Набс.Р), сопоставляется с некоторым семейством реперных кривых (рисунок 12), каждая из которых получена опытным путем и отражает определенное состояние контролируемого промежутка и величину его ресурса.

-

- -

щ

Ш$шШШШт

/ 'Л

>

\

\

/ \

/ \

\

1

4:

И-

... |

у р

А \!

/ \

л -1

/

/ \

>

йж

шШР

"¡И

Рисунок 12. Схема идентификации состояния и ресурса изоляционного промежутка силового трансформатора

Количественно оцененная степень близости анализируемой зависимости к каждой из реперных кривых позволяет сформировать представление о состоянии контролируемого оборудования и величине его остаточного ресурса. Семейство реперных кривых, предварительно установленное

экспериментально, в данном случае играет роль системы отсчета (градуировочная кривая), представленной в виде некоторой шкалы баллов.

Метод назначенного лидера (аналога), не меняя технологии оценивания, значительно упрощает решение проблемы формирования базы сравнения (системы отсчета) (рисунок 13).

Рисунок 13. Алгоритм и инструменты оценивания состояния по методу назначенного лидера: а) эталонный спектр токов поляризации; б) спектр контролируемого промежутка; в) модуль оценивания Программный модуль оценивания, представленный в виде информационной матрицы, дает возможность сопоставлять в числовом виде поляризационный спектр контролируемого промежутка со спектром изделия, принятого за базу сравнения (аналога), что позволяет исключить человека-эксперта из процесса формирования оценки состояния изоляционного промежутка и решать подобные задачи с помощью ЭВМ. В этом смысле предложенный метод представляет собой в первом приближении экспертную систему, действительно способную оценивать состояние изоляционного промежутка электротехнического оборудования различного типа.

Представление совокупности значений контролируемого параметра исследуемых трансформаторов (рисунок 14,а), являющимися техническими изделиями высокого порядка сложности, в виде техноценоза позволило использовать ранговый анализ. Применение интервального оценивания распределения дало возможность определить объекты в составе техноценоза, имеющие аномальные значения контролируемого параметра (рисунок 14,в).

Годы Значения контролируемого параметра

2006 13.82 15.99 16,84 13.02 7,67 10 16,91

2007 7,72 28,3 25,67 24,87 11,75 15 69.2

2008 11,07 46,27 28,25 13,18 3,87 9,56 9,12

2009 10.96 37,18 3,45 1,26 14,53 39,76 4,205

а)

б) в)

Рисунок 14. Метод диагностики изоляционной системы силовых трансформаторов с помощью ранговых распределений: а) совокупность значений параметра ¡ру, б) распределение значений 1рг по рангам; в) доверительный интервал (Р^ = 0,95) для рангового распределения в логарифмических (в) осях Применительно к электрическим параметрам изоляционного промежутка полагают, что если точка рангового распределения располагается выше доверительного интервала, то в пределах гауссовского разброса параметров справедливо утверждение: данный объект по параметру главной изоляции не имеет отклонений, если точка входит в доверительный интервал, то вероятность наличия дефекта существует. Если же точка находится ниже доверительного интервала, то это свидетельствует о нарушении нормального состояния и является признаком присутствия дефекта.

Достоинства таких подходов связаны с тем, что критерии оценки состояния устанавливаются непосредственно в процессе анализа. При этом достоверность установленных критериев гарантируется объемом имеющихся результатов контроля и эффективностью современных методов статистической обработки результатов.

160 140 '5.120 [ 100

10 20 30 40 Величина рангов_

Построение ранговых распределений, к сожалению, позволяет установить только лишь наличие дефектных изделий. Информация о природе дефектов, их интенсивности и степени опасности практически отсутствует.

В шестой главе представляемой работы изложены основные результаты теоретического и экспериментального исследования основных подходов к оценке состояния сложного маслонаполненного оборудования. Результаты такого исследования отражают накопленный опыт за последнее десятилетие, который связан с непосредственным исследованием целого массива (75 трансформаторов напряжением 110/35\6(10) кВ) изоляционных промежутков. Доминирующая идея при этом оказалась созвучной с представлениями Vicki Warren and Greg Stone: "... no test is sensitive to all insulation problems" (не существует теста чувствительного ко всем проблемам, связанным с изоляцией). Поэтому проблема оценивания состояния контролируемого оборудования в работе решается как многопараметрическая и комплексная задача.

Существующие сегодня подходы, предлагаемые современной технической литературой, отдают предпочтение или контролю трансформаторного масла, или контролю твердой изоляции и не раскрывают всех особенностей физических процессов. Поэтому желаемый уровень достоверности оценок состояния так и остается недостижимым. Предлагаемый в работе метод контроля токов поляризации в области развития структурной поляризации позволяет держать под контролем все виды материалов, формирующих изоляционный промежуток. Процессы, развиваемые в нем, контролируются более полно, а получаемая при этом информация обеспечивает более высокий уровень достоверности.

Учитывая отсутствие эффективной базы сравнения, в работе для оценки состояния изоляционного промежутка используются методы, в которых база сравнения (правила принятия решения) формируются в процессе контроля некоторой совокупности однотипного оборудования (метод ранговых распределений). Применяемая при этом система уточняющих и подтверждающих процедур, позволяет подтвердить или установить физические закономерности, позволяющие отнести контролируемое изделие к одному из возможных состояний и тем самым раскрыть физическую природу развивающегося дефекта, его интенсивность и степень опасности.

Хорошим дополнением к предлагаемым методам диагностики состояния является возможность контроля разрядной активности не всего трансформатора в целом, а только того промежутка, который находится под контролем. При этом спектральная плотность и интенсивность разрядной активности, рассчитанная с помощью аппроксимирующего полинома зависимости I(t) и представленная в виде AI(t) = I(t)3Kcn-I(t)amp=f(t)t являются параметрами,

которые надежно фиксируются на протяжении всего интервала времени тестирования (рисунок 15).

Разрядная активность

Распределение

100 200 300 400 сек

а) б)

Рисунок 15. Разрядная активность изоляционного промежутка при действии постоянного напряжения и = 2500 В: а) - характер разрядной активности;

б) - спектральная плотность разрядной активности Спектральная плотность разрядной активности, т.е. зависимость количества флуктуаций, амплитуда которых не превышает некоторый токовый порог от величины этого порога (рисунок 15,6), позволяет судить не только о степени опасности разрядной активности, но и оценить ее интенсивность количественно.

Диагностические возможности этих параметров определяются их устойчивой корреляцией с величиной пробивного напряжения изоляционной конструкции и служат хорошим подтверждением физической модели развивающихся в промежутке дефектов.

Используя подходы, рассмотренные при построении треугольника ПиуаРа, было замечено, что если на основе отношений концентраций трех основных газов, существуют диагностические зоны, соответствующие вполне определенным типам развивающихся дефектов, то для этих зон должны существовать и определенные соотношения других параметров, например, электрофизических, обладающих высокой чувствительностью к изменению структуры и химического состава материалов, работающих в изоляционном промежутке. В данной работе в качестве таких параметров были выбраны: Яиз;

коэффициент диэлектрического разряда £>£>., а метод определения вида развивающегося дефекта получил название «метод треугольника состояний», с помощью которого контролируемый объект может быть отнесен к строго определенной области треугольника, соответствующей установленному состоянию. В свою очередь каждая такая область отражает физическую модель процессов, развивающихся в работающем промежутке, и тем самым идентифицирует физическую природу обнаруженного нарушения, что делает метод эффективным диагностическим инструментом (рисунок 16).

а) б)

Рисунок 16, а). Идентификационные зоны «треугольника состояний»;б). Степень соответствия результатов газового ) и электрофизического (®) анализов На рисунке 16,6 представлен треугольник БиуаРа, на информационном поле которого отмечены типы развивающихся дефектов, обнаруженные в трансформаторах с помощью газового анализа (окрашенные кружочки), и белыми кружочками отмечены дефекты в тех же самых трансформаторах, но обнаруженные с помощью параметров (рг-Яиз-ВО.

Обращает на себя внимание тот факт, что оба массива точек локализуются относительно близко друг к другу. Правда, результаты газового анализа указывают только на присутствие термических дефектов, предельная температура которых достигает 500°С, 700°С и выше (области Т2 и ТЗ). Результаты анализа, полученные с помощью параметров, так же

указывают на присутствие термического дефекта с максимальной температурой перегрева не выше 700°С, но сопровождающегося заметной разрядной активностью (область БТ).

Подтверждением эффективности использования предлагаемого метода могут служить результаты многолетних наблюдений за состоянием одного и того же трансформатора марки ТДТН-4000/110-70, изготовленного в 1974 году и установленного на п/с Вязьма-1 Смоленской области, при этом целесообразно привести вид треугольника состояний к виду треугольника Бцуа1'а (таблица 2).

На протяжении первых четырех лет наблюдается постоянное ухудшение состояния трансформатора, при этом максимум зависимости 11(1) - /(0 смещается в сторону повышенных значений времени выдержки промежутка под напряжением, снижаются значения tpi и (¿(х). В 2009 году было зафиксировано существенное увеличение амплитуды второго максимума, природа которого связана со степенью дефектности твердой изоляции контролируемого промежутка.

Таблица 2

Результаты контроля состояния трансформатора Т 1 на п/с Вязьма -1

Тр-р ТДТН-4000/110-70; Год вып. 1974; Установлен на п/с Вязьма-¡Смоленской обл. итест =2500(В)

Год исп-я а (ГОм) ф1 Ш) *тах в(х) Вид спектра Д-к состояний А-к ОиуаГа

2006 1,82 13,82 7,16 180 0,77 3 >° 5 в £ • | Ш ""

-----" _ с,н.

2008 1,239 11,07 9,36 240 0,64 Вь ЙПК мтхцми А - .*.......

г £ 5 §0 Ш- \ т 'жНЬ м

в & юг гю эоо ш юо со« 1.С* нсо6<ч- и,«» 1 __________]

2009 1,325 10,95 7,44 350 0,56 V0 г # О 200 400 60 — Мяче объц1 — МакО — Макс2 | шка ▲ - • -е.»? » ,

2011 1,680 13,64 7,12 175 0,66 i, 6 1 4-р ■Ж. сн. с>н< 80 60 « »

После проведения мероприятий, связанных с заменой фильтрующих и водопоглощающих элементов в системе защиты работающего масла и длительного прогрева трансформатора рабочим током, в 2011 году работоспособность промежутка была восстановлена практически до уровня 2006 года. Результат подтверждается значениями числовых параметров, приведенных в таблице 2.

С целью формализации используемых методов и методических приемов оценки состояния изоляционного промежутка все они условно разделены на три практически самостоятельных блока, логически нацеленные на достижение конечного результата (рисунок17).

Результаты контроля состояния изоляционного промежутка, их анализа и логически следующего заключения представлены в виде некоторой обобщенной структуры, формализующей и облегчающей восприятие всего многообразия физически разнородных методов и методических приемов

обработки и анализа поступающей информации. Это делает итоговое заключение научно обоснованным, метрологически и аппаратурно обеспеченным решением актуальной технической задачи.

Рисунок 17. Обобщенная схема обработки результатов контроля состояния объекта: а). Блок первичной обработки, получаемой при контроле информации; б) Блок анализа информации, прошедшей первичную обработку; в). Система подтверждающих и уточняющих процедур, устанавливающая упорядочивающие взаимоотношения и логическую согласованность между значениями контролируемых параметров: ф1; Р1; 2?Д- ДР; и др

В заключении приведены основные результаты, полученные в работе:

1). Впервые представлен и обобщен обширный материал результатов экспериментального исследования основных закономерностей изменения токов поляризации во времени в изоляционных промежутках 75 силовых маслонаполненных трансформаторов, находящихся в эксплуатации от 25 ■ до 56 лет. Установленные закономерности изменения тока абсорбции во времени представлены для всех основных изоляционных промежутков силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и отражают их устойчивость к действию эксплуатационных нагрузок.

2). Показано, что с приемлемой точностью изоляционные промежутки могут быть представлены в виде двухслойного конденсатора Максвелла. Это не только упрощает описание и анализ получаемой информации, но и позволяет выделить временную область, в которой структурная поляризация играет доминирующую роль.

3). Предложенный в работе параметр контроля состояния изоляционных промежутков (¿р/), представляющий собой максимальное значение функции Щ)=(-1(()], основан на измерении тока поляризации во временной области 0-^600сек. При этом он обладает свойствами общности, комплексности, интегральности и отражает свойства контролируемой диэлектрической среды в области инфранизких частот. Преобразование временной зависимости абсорбционного тока в спектр тока поляризации, интенсивность и форма которого несут основную информацию о состоянии контролируемого промежутка, позволяет оценить состояние изоляционной системы по совокупности свойств материалов, работающих в ней.

4). Констатируется, что несовершенство современных методов диагностики столь сложного энергетического оборудования, как высоковольтные маслонаполненные трансформаторы, связано, в основном, с отсутствием эффективной базы сравнения, позволяющей установить степень изношенности контролируемого оборудования. Это является основной проблемой, препятствующей не только разработке более прогрессивного метода диагностики, но и его широкого применения на практике.

5). Разработан метод «скользящего среднего», в котором базой сравнения является опыт прошлого, устанавливающий зависимость времени жизни эксплуатируемого трансформатора от величины параметра контроля представленного в виде регрессионного уравнения 1ж=70-1рГ°,2я. Особенностью этого метода является то, что с увеличением числа проконтролированных трансформаторов точность регрессионного уравнения возрастает. Величина оставшегося ресурса времени в таком случае рассчитывается по соотношению = 1ж-[((рг/ Гр1пред)°'251-1].

6). Разработан метод «назначенного лидера», в котором за точку отсчета принимаются параметры реально существующего трансформатора, время жизни которого не превышает 25 лет и имеющего хорошо структурированный спектр токов поляризации. Машинная реализация этого метода приобретает черты экспертной системы, исключающей субъективные ошибки эксперта при принятии решения о степени изношенности материалов изоляционной системы силового трансформатора (рисунок 13).

7). Показано, что представление совокупности значений контролируемого параметра исследуемых трансформаторов (рисунок 14,а), представляющих собой технические изделия высокого порядка сложности, в виде техноценоза позволило использовать ранговый анализ. Оценивание доверительного интервала рангового распределения позволяет определить объекты в составе техноценоза, имеющие аномальные значения контролируемого параметра (рисунок 14,в).

8). Разработан метод «треугольник состояний», в котором площадь треугольника, по аналогии с треугольником ОиуаРа, разделена на области, попадание в которые соответствует вполне определенному виду развивающегося во времени дефекта. Идентификация вида дефекта, оценка степени его опасности делают предложенный в работе метод эффективным диагностическим инструментом, существенным образом, расширяющим возможности современных методов диагностики.

9). Используя представления о корреляционной зависимости низкочастотного шума с дефектностью структуры и состоянием поверхности твердого диэлектрика, предложен метод контроля состояния изоляционной системы, параметрами которого являются спектральная плотность и разрядная

активность изоляционного промежутка. Диагностические возможности этих параметров определяются их устойчивой корреляцией с величиной пробивного напряжения изделия и величиной напряжения появления частичных разрядов.

10). Достоверность получаемых оценок о состоянии контролируемого объекта и эффективность рекомендуемых корректирующих мероприятий подтверждается уточняющими, и подтверждающими процедурам, позволяющими держать под контролем корректность формулируемых выводов, реализация которых обеспечивает устойчивую работу электротехнического устройства в целом.

11). Предложено представить результаты контроля состояния изоляционного промежутка, их анализа и логически следующего заключения в виде некоторой обобщенной структуры (таблицы) формализующей и облегчающей восприятие всего разнообразия физически разнородных методов и методических приемов вполне обосновано. Это делает итоговое заключение научно обоснованным, метрологически и аппаратурно обеспеченным решением актуальной научно-технической проблемы

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Зенова Е.В., Чернышев В.А. Ионизационные способы контроля параметров газообразных сред//Тез.докл.межд.конф. по радиационной физики и химии неорганических материалов.- Томск,1996, с.247-248.

2. Зенова Е.В. Чернышев В.А. Способы оценки эффективности функционирования системы качества. Сборник трудов НТК «TQM-99». Минск, 1999, с. 105-110.

3. Зенова Е.В., Чернышев В.А. Информационные подходы к оценке качества промышленных изделий. Тезисы докладов НТК сертификация и управление качеством. Брянск 1999, с.105-107.

4. Зенова Е.В., Чернышев В.А. Десятая международная конференция по менеджменту качества, «TQM -2000», Москва, май 2000, с. 159-162.

5. Зенова Е.В., Чернышев В.А. Международная научно-техническая конференция «Сертификация и управление качеством продукции». Брянск, май 2002, с. 53-55.

6. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Коноплев Д.Ю., Лякишева Ю.В.. Некоторые особенности современных методов оценки состояния изоляционных конструкций сложного электротехнического оборудования. Труды V -международной конференции. Электротехнические материалы и компоненты. Крым, Алушта, Сентябрь 2004, с. 48-53.

7. Зенова Е.В. Основы теории и расчета надежности изделий электронной техники// Учебное пособие. - М.: Издательство МЭИ, 2005.

8. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Коноплев Д.Ю., Чернов В.А. Исследование степени изношенности изоляционных промежутков

электротехнического оборудования с помощью измерения изотермических токов деполяризации//Вестник МЭИ №1. Издательство МЭИ, 2006, с. 76-82.

9. Зенова Е.В., Чернышев В.А. Структура спектров разрядных токов состаренных изоляционных конструкций//Вестник МЭИ, №2. Издательство МЭИ, 2006, с. 64-68.

10. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Чернов В.А. Возможные подходы к оценке состояния изоляционной системы электротехнического оборудования//Труды XI межународн.конф. «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты», Часть I. г.Алушта, Сентябрь, 2006, с.47-48.

11. Зенова Е.В. Оценка состояния работающих изоляционных промежутков с помощью измерения величины объемного заряда // Труды XI межународн. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты», Часть I. г.Алушта, Сентябрь, 2006, с.48-50.

12. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Чернов В.А., Артеменков С.А. Диагностика состояния изоляции силовых трансформаторов по оценке токов деполяризации.// Матер. Международн. НТК «Состояние и перспективы развития энерготехнологии». Ивановский Гос. Энерг.универс., г.Иваново,2007, с. 38-42.

13. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Карпеченков Н.Д. Спектры диэлектрической релаксации изоляционных промежутков в области инфранизких частот.// Журнал Измерительная техника №5.2008. с.36-39.

14. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Карпеченков Н.Д. The dielectric relaxation spectra of insulation gaps at infralow frequencies // published in Measurement Techniques. Springer Science+Business Media, Inc. 2008. Pp. 516-518.

15. Зенова E.B., Чернышев B.A. Количественные оценки состояния изоляционных промежутков энергетического оборудования./ЛГруды XII межд.конф. «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», г.Алушта, 2008, с. 36-37.

16. Зенова Е.В., Чернышев В.А. Возможные подходы к оценке состояния изоляционных промежутков на основе анализа их абсорбционных характеристик/ доклад Материалы межд. научн. метод, семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», МЭИ, август 2008, с. 191-196.

17. Зенова Е.В., Чернышев B.A., Чернов В.А. Структурирование функций качества как аргумент оценивания состояния изоляционного промежутка//доклад Материалы межд. научн. метод, семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», МЭИ, август 2008, с. 196-201.

18. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Чернов В.А., Рыбников Д.А., Хостанцев А.Ю. Обобщенный индекс поляризации как параметр контроля состояния

изоляционных промежутков силовых трансформаторов// В материалах 4 Международной конференция «Силовые трансформаторы и системы диагностики». Москва, 23-24 июня 2009, Международная ассоциация «ТРАВЕК».

19. Зенова Е.В., Чернышев В.А. Контроль качества изоляционных промежутков' электротехнического оборудования при эксплуатации// Журнал «Электричество» №6, 2009, с.22-29.

20. Зенова Б.В. Оценка состояния изоляционных промежутков силовых трансформаторов по обобщенному индексу поляризации// Журнал «Электричество» №11,2009, с.26-29.

21. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Кисляков М.А. и др. К выбору параметра контроля состояния изоляционных промежутков силовых трансформаторов// Тезисы докл. межд. НТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии» в 2-х т. Т.1, С. 151. Ивановский Гос. Энергет. Универ., г. Иваново, май 2009.

22. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Гордиловский A.A., Чернов В.А., Кисляков М.А. Оценка состояния изоляции электрических машин высокого напряжения// Материалы третьей межд. НТК «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», Белорусско-российский университет, г. Могилев, октябрь 2009, с.94-96.

23. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Чернов В.А. Способ определения состояния и ресурса изоляции// Заявка № 20088103231 от 01.02.08г. Патент №2373546 от 20.11.09г.

24. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Тагаченков A.M., Кисляков М.А. Формирование обобщенного индекса поляризации как параметра контроля состояния изоляционных промежутков. Электротехника, № 11, ноябрь 2010, с.48-53.

25. Зенова Е.В., Кисляков М.А., Чернышев В.А. Оценка и прогнозирование фактического состояния изоляционных промежутков крупных и средних электрических машин. Труды всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем». Том 2, июнь Москва,2010, с.30-33.

26. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Григорян В.Р. Определение состояния и остаточного ресурса силового энергетического оборудования. Электричество, № 1, 2011, с. 32-36.

27. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Кисляков М.А., Посохин A.B. «Оценка и прогнозирование фактического состояния изоляционных промежутков высоковольтного энергетического оборудования». Журнал «Вестник МЭИ», №2,2011, с.40-45.

28. Мирошникова И.Н., Зенова Е.В., Тагаченков A.M., Е.А.Кельм и др. «Применение зондовой спектроскопии для исследования структур сложного химического состава». Материалы докладов Международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». Москва, 2011, с.173-178.

29. Попов А.И., Васильева Н.Д., Тагаченков A.M., Зенова Е.В. и др. «Влияние электропроводности материала на результаты сканирующей зондовой микроскопии». Материалы докладов Международного научно-методического семинара «Флуиуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». Москва, 2011, с.189-194.

30. Мирошникова И.Н., Зенова Е.В., Тагаченков А.М. и др. Шумовая спектроскопия как метод контроля качества разрабатываемых полупроводниковых приборов. М. Измерительная техника. № 6,2011.

31. Чернышев В.А., Зенова Е.В. Материалы научно-практической конференции и семинары «Современное состояние и проблемы разработки НТД по диагностике силового электрооборудования. Общие проблемы диагностики силового электрооборудования». Пермь, сентябрь 2011.

32. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Чернов В.А. Спектры токов поляризации изоляционных промежутков маслоналолненного оборудования и их диагностические возможности. Труды 2-ой Всероссийской НПК, Энерго-12 // Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем. Москва, НИУ МЭИ, июнь 2012, с. 60-62.

33. Зенова Е.В., Чернышев В.А. и др. Анализ результатов контроля трансформаторного оборудования с помощью треугольника возможных состояний. Материалы 18-го пленарного заседания Общественного Совета специалистов по диагностике силового электрооборудования по теме «Анализ эффективности методов средств диагностирования силового электрооборудования», УрЦОТЭ, Свердловская обл., г. Среднеуральск, сентябрь 2012.

34. Зенова Е.В., Чернышев В.А. Способ определения состояния и ресурса изоляционной системы электрооборудования. Заявка о выдачи патента РФ на изобретение от 22.03.2012. Входящий № 016363, регистрационный №2012110899 (положительное решение апрель 2013).

35. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Тагаченков А.М. Способ определения средней степени полимеризации полимерных материалов. Заявка о выдачи патента РФ на изобретение от 11.04.2012. Входящий № 021290, регистрационный №2012114067.

Подписано в печать Зак. 3W Тир. Ю0 п.л. Л, Ь"

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д.13

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МЭИ

V

На правах рукописи

05201351652

ЗЕНОВА ЕЛЕНА ВАЛЕНТИНОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ СПЕКТРОВ ТОКОВ

ПОЛЯРИЗАЦИИ

Специальность: 05. 09. 02 - Электротехнические материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: профессор, доктор технических наук Чернышев Валентин Александрович

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 8

1. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И ИХ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 24

1.1. Магнитная система трансформатора 24

1.2. Обмотки трансформаторов 26

1.3. Основные типы изоляционных промежутков в трансформаторах высокого класса напряжения 32

1.4. Моделирование структуры изоляционных промежутков силовых трансформаторов 37

1.5. Описание реакции изоляционного промежутка на внешнее электрическое поле с помощью его Х-модели 42

1.5.1. Диэлектрический отклик изоляционной системы во временной области 43

1.5.2. Определение вида функциональной зависимости ¡¿(0 45

1.5.3. Особенности поведения изоляционных промежутков силовых трансформаторов в переменных электрических полях 48

1.5.4. Функция диэлектрического отклика многослойного конденсатора Максвелла 51

1.6. Вместо выводов 55

2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПРОМЕЖУТКОВ СИЛОВОТО ТРАНСФОРМАТОРА И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА 60

2.1. Минеральные изоляционные масла 61

2.1.1. Общие требования и свойства трансформаторных масел 61

2.2. Изоляционная бумага 64

2.3. Старение изоляционных бумаг 67

2.3.1. Процессы деградации бумаги 68

2.3.2. Влияние температуры 69

2.3.3. Влияние кислорода 71

2.3.4. Влияние влаги на процессы старения бумаги 72

2.3.5. Химические соединения семейства фуранов 73

87

90

2.4. Вместо заключения 80

3. ОЦЕНИВАНИЕ СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

83

(современные подходы)

3.1. Комплексная оценка состояния силового трансформатора

3.2. Диагностика состояния силовых трансформаторов с помощью анализа растворенных в масле газов (DGA)

3.2.1. Диагностика состояния трансформатора, использующая предельные концентрации ключевых газов и их суммарное количество

3.2.2. Исследование проблем трансформатора методом анализа растворенных газов с помощью треугольника Duval'а

3.2.3. Оценка состояния силовых трансформаторов методом отношений концентраций ключевых газов

3.3. Влажность материалов, работающих в изоляционных промежутках силового трансформатора

3.4. Частичные разряды (ЧР) - индикатор состояния изоляционной системы силового оборудования

3.4.1. Механизм развития частичных разрядов

3.4.2. Параметры частичных разрядов, используемые при диагностике силового оборудования

3.4.3. ЧР - диагностика видов дефектов изоляции высоковольтного оборудования

3.4.3.1. Амплитудно-фазовое распределение импульсов

частичных разрядов

120

3.4.3.2. Анализ частотных свойств частичных разрядов

171

3.4.4. Основные проблемы, связанные с реализацией метода ЧР 3.4.4.1. Оценка оставшегося ресурса времени эксплуатации

оборудования по величине частичных разрядов 123

3.5. Термографическая (тепловизионная) диагностика силовых трансформаторов 125

3.5.1. Термографический анализ степени перегрева

93

98

102

109

114

114

116

119

трансформаторного оборудования 128

3.5.2. Статистические подходы формирования параметра контроля

при термографическом анализе степени перегрева 131

3.5.3. Вместо заключения 134 3.6.Оценка средней долговечности электротехнического оборудования 136

3.6.1. Статистические подходы 137

3.6.2. . Феноменологические модели для определения время жизни изоляционных конструкций 139

3.6.3. Физические модели 142

3.6.3.1. Модель электрокинетической устойчивости (ЕКЕ -

Model) 143

3.6.3.2. Модель, учитывающая образование объемного заряда (Space-Charge Model) 143

3.6.4. Физическая PD- модель времени жизни изоляционной системы силового трансформатора (Модель предельных значений) 145

3.6.5. Критерии конечных точек в физической модели кривой времени жизни изоляционной системы силового трансформатора 148

3.7. Выводы 152

4. ФОРМИРОВАНИЕ ОБОБЩЕННОГО ПАРАМЕТРА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СИЛОВОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 156

4.1. Современные подходы к оценке качества промышленных изделий 156

4.2. Виды параметров контроля состояния изоляционных промежутков 158

4.2.1. Измерение величины сопротивления изоляции (RTO. - test) 159

4.2.2. Измерение величины сопротивления изоляционной системы

при напряжениях различного уровня (Step Voltage Test) 164

4.2.3. Индекс поляризации (Polarization Index - PI) 165

4.2.4. Коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR - Test) 170

4.2.5. Коэффициент диэлектрического разряда (DD — Test) 171

4.3. Оценка состояния изоляционной системы с помощью измерения величины возвратного напряжения (RVM - Test) 173

4.4. Формирование обобщенного параметра контроля состояния изоляционных промежутков силовых трансформаторов 180

4.4.1. Структурирование поляризационного спектра изоляционных промежутков с помощью выделения его основных составляющих 184

4.4.2. Основные свойства спектров токов поляризации контролируемого изоляционного промежутка 189

4.4.3. Метод скользящего среднего. Стохастическая природа обобщенного индекса поляризации 194

4.5. Постоянная времени релаксации как параметр контроля работающего изоляционного промежутка 200

4.6. Методы представления исходной информации, определяющей состояние изоляционного промежутка силового оборудования 205

4.7. Выводы 213 5. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ

ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПРОМЕЖУТКОВ 219

5.1. Методы измерения токов поляризации/деполяризации 220

5.2. Измерение величины «истинного» сопротивления изоляционного промежутка 229

5.3. Контроль температуры изоляционного промежутка при измерении его сопротивления на постоянном токе 234

5.4. Определение сопротивлений основных изоляционных промежутков силовых трансформаторов 237

5.5. Методологические основы измерения диэлектрического отклика

как параметра контроля состояния изоляционной системы 243

5.6. Оценка состояния изоляционной системы силового оборудования и прогнозирование ее ресурса 247

5.6.1. Метод оценки, использующий семейство реперных

зависимостей t-I(t). Метод реперных кривых 247

5.6.2. Метод назначенного лидера 251

5.7. Метод диагностики силовых трансформаторов на основе построения ранговых распределений 259

5.7.1. Техноценологический подход к описанию результатов, полученных при диагностике силовых трансформаторов 259

5.7.2. Практический пример использования ранговых распределений при диагностике состояния изоляционной системы силовых трансформаторов 262

5.7.2.1. Параметр контроля - обобщенный индекс поляризации

(tpi) 262

5.7.2.2. Параметр контроля - величина сопротивления изоляционного промежутка (Rm) 270

5.8. Выводы 273 6. МЕТОД ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ

ПРОМЕЖУТКОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ, ОСНОВАННЫЙ НА ИЗМЕРЕНИИ ТОКОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ/ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ 277

6.1. Особенности формирования первичного параметра контроля

состояния изоляционных промежутков 279

6.2. Контроль развивающихся отказов изоляционных промежутков, их природа и степень интенсивности 285

6.2.1. Предварительная оценка состояния изоляционного промежутка 286

6.2.2. Оценка степени нарушения структуры изоляционного промежутка 290

6.2.3. Идентификация вида развивающегося дефекта в объеме изоляционного промежутка 295

6.2.4. Разрядная активность изоляционного промежутка 304

6.2.5. Структурная схема обработки результатов контроля состояния второго уровня 310

6.3. Обработка и анализ результатов контроля состояния третьего уровня 313

6.3.1. Анализ параметров контроля состояния изоляционного

промежутка 314

6.3.2. Уточняющие и подтверждающие процедуры. Формирование комплексного показателя состояния промежутка 318

6.3.3. Оценка оставшегося ресурса времени эксплуатации силового трансформатора 324

6.3.4. Метод треугольника состояний 332

6.4. Формирование итогового заключения о состоянии изоляционного промежутка 346

6.5. Пример практического использования предложенных методов оценки состояния маслонаполненного оборудования 349

6.5.1. Трансформатор Т1, п/с Восточная (г. Смоленск), 2010 г. 350

6.6.Выводы 363

6.7. Приложение к главе 6 366 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 367 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 375 ПРИЛОЖЕНИЕ I. Машинный пример оценки состояния трансформатора

Т1, п/с Вязьма-1, представленный для отчета в ОАО «Смоленскэнерго» 404 ПРИЛОЖЕНИЕ II. Отзыв о результатах работы по диагностике силовых трансформаторов в ОАО «Брянскэнерго» 415

ПРИЛОЖЕНИЕ III. Экспертное заключение по результатам проекта «Разработка методики управления временем жизни маслонаполненного энергетического оборудования с помощью формирования спектров токов поляризации изоляционных промежутков контролируемого оборудования» от ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» 420

ПРИЛОЖЕНИЕ IV. Экспертное заключение по результатам проекта «Разработка методики управления временем жизни маслонаполненного энергетического оборудования с помощью формирования спектров токов поляризации изоляционных промежутков контролируемого оборудования» от «МИЭЭ» 428

ПРИЛОЖЕНИЕ V. Акт об оказании услуг №001, ОАО

«Свердловэлектроремонт» 436

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Изоляционная система современного маслонаполненного оборудования, в том числе и высоковольтных трансформаторов, лежит в основе организации надежного бесперебойного энергоснабжения и является ключевым элементом, гарантирующим безаварийную эксплуатацию подобного рода оборудования.

Сложившаяся к настоящему времени ситуация в области организации надежного энергообеспечения, как у нас в стране, так и за ее пределами, характеризуется устойчивыми тенденциями, наиболее важными из которых являются:

- заметный рост электропотребления и связанное с ним увеличение парка эксплуатируемого оборудования при постоянном повышении требований к надежности, долговечности, экологичности эксплуатируемых устройств;

- «старение» парка обслуживаемого оборудования, и в первую очередь, наиболее ответственного и дорогостоящего трансформаторного оборудования. (Более 60% трансформаторов, установленных в распределительных сетях, эксплуатируются 25 лет и более.) В результате появляется стратегическая задача современного уровня - оценка возможности продолжения безаварийной эксплуатации состаренного оборудования. Постоянный рост цен на новое оборудование и работы, связанные с его установкой в работающей системе, не снижают актуальность сформулированной стратегической задачи;

- переход от планово-предупредительного ремонта оборудования к системе технического обслуживания на основе оценки его фактического состояния, позволивший сделать проводимый ремонт более целесообразным и технически обоснованным.

Определение фактического состояния оборудования в данном случае основано на измерении значений контролируемых параметров, для которых определяются тревожные и аварийные уровни сигналов. Сравнение действительных значений с установленными уровнями тревоги и

предыдущими замерами дает оценку изменения состояния контролируемого оборудования. Организованный, таким образом, диагностический контроль имеет своей целью предотвращение аварийного отказа оборудования, определения его состояния и прогнозирование остаточного ресурса как одного из главных показателей надежности.

Однако, неопределенности, возникающие при определении уровней тревожных и аварийных сигналов, а также и при выборе вида и метода измерения значений, контролируемых параметров, не позволяют до конца решить поставленные задачи. Поэтому сегодня говорят о новых подходах, формирующих принципиально новую парадигму диагностики состояния эксплуатируемого оборудования, качественно изменяющие требования к нему. Главной задачей становится управление жизнью эксплуатируемого оборудования и прогнозирование его состояние на относительно длительный период. Такие подходы не являются тривиальными и требуют разработки принципиально новых методов планирования контроля, формирования эффективного параметра контроля и обеспечения толерантности получаемых результатов (идеология обеспечения качества G.Taguchi [120,148]).

Основные мировые тенденции, перечисленные выше, так или иначе, сталкиваются с решением проблемы создания диагностической системы, непосредственно интегрированной в технологический процесс

обслуживания дорогостоящего маслонаполненного оборудования, функционирующего в распределительных сетях электрообеспечения. Поэтому диагностическая система должна обладать высокой эффективностью и производительностью, отличаться доступностью методов контроля и применяющихся при этом материалов. Располагать физически обоснованными математическими моделями, позволяющими формализовать наши представления о состоянии контролируемого объекта и допускающими формирование итогового заключения. Корректирующие мероприятия, сформулированные в итоговом заключении, должны предусматривать мероприятия, исключающие отказ эксплуатируемого

оборудования в пределах конкретно заданного периода времени (в чем и состоит суть управления длительностью жизни технического устройства). Поэтому трудно не согласиться с мнением доктора технических наук Дарьяна Л.А., что «...в создавшихся условиях стратегической линией развития электротехники и электроэнергетики является разработка эффективных диагностических систем - средств и методов диагностики, позволяющих подтверждать работоспособность оборудования (бездефектное состояние) или обнаруживать повреждения на ранней стадии их развития (рабочее состояние)» и, в конечном итоге, управлять остаточным ресурсом времени технического устройства [259].

Высоковольтный трансформатор, как и любое маслонаполненное оборудование, представляет собой многокомпонентную систему узлов и элементов. Отказ любого из них приводит к отказу всего трансформатора. Анализ причин отказа работающего трансформаторного парка за период 1997 ^ 2003 годов по данным 1М1А - И/СР(33/03) (международной ассоциации страхования инженерной продукции) показал, что основной причиной материальных потерь является отказ изоляционной системы (в стоимостном выражении это составляет более 52%). На втором месте (более 22%) оказались причины связанные с конструкцией трансформатора (используемыми материалами и качеством их изготовления) [288-290]. Тем не менее, в настоящее время отсутствует эффективная система контроля изоляционной системы трансформаторов и оценки ее качества.

Нормативные документы РД 34.45-51.300 - 97 (Объем и нормы испытаний электрооборудования) измерения величины сопротивления КИЗ и величины коэффициента абсорбции кабс при заданных в них уровнях тревоги не предусматривают всех требований к ним, что оказывается явно недостаточными. Они не раскрывают особенностей физических процессов, протекающих в контролируемых изоляционных промежутках, не устанавливают степень дефектности и степень изношенности работающих материалов. Отсутствие систематических, теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении с точки зрения

диагностики практически делают бесполезными результаты такого рода контроля.

Хотя изучение поляризационных процессов в технических диэлектриках является предметом успешного исследования, проводимого крупными научными школами (петербургская научная школа электротехнического материаловедения: Койков С.Н., Сажин Б.Н., Борисова М.Э., Канискин В.А.), процессы поляризации (особенно структурной), развивающейся в объеме изоляционных промежутков силовых трансформаторов, методы исследования и оценивания их основных параметров, по существу, оставлены без внимания. Использование метода измерения величины возвратного напряжения (RVM) и метода контроля величины диэлектрического отклика (PDC) на действие приложенного электрического поля (спадание тока со временем) даже в зарубежной [Е. Gockenbach, A. Shayegani, М. Farachani, Tapan К. Saha] практике диагностического контроля состояния не пошли дальше оценки степени увлажнения твердой изоляции.

В этой связи разработка и исследование высокоэффективных систем диагностического контроля состояния маслонаполненного энергетического оборудования, в основу которых положены результаты изучения: процессов поляризации, развивающиеся в диэлектрических материалах изоляционных конструкций; основных закономерностей их старения в эксплуатационных условиях; возможностей непосредственного интегрирования разработанных систем диагностики в технологический процесс обслуживания оборудования и обеспечения требуемого уровня его надежности представляют действительно актуальную научно-техническую проблему современных электротехники и электроэнергетики.

Объектом исследования являются изоляционные промежутки силового маслонаполненного оборудования, надежность работы которых обеспечивает не только надежность всего устройства в целом, но и минимум эксплуатацио�