автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и совершенствование методов и средств диагностики главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ

На правах рукописи

Семенов Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ГЛАВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ 6-10 КВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

2 8 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005541339

Нижний Новгород - 2013

005541339

Работа выполнена в государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального обучения «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт» (НГИЭИ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Серебряков Александр Сергеевич

доктор технических наук, профессор Воробьев Виктор Андреевич (Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева)

кандидат технических наук, доцент Крюков Олег Викторович (ОАО "Гипрогазцентр")

Государственное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ВИЭСХ)

Защита состоится 13 декабря 2013 года в 14.00 часов в аудитории 12S8 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева».

Автореферат разослан " ^ " ноября 2013 года. Ученый секретарь

диссертационного совета ^—■—1

к.т.н., доцент A.C. Плехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Распределительные трансформаторы напряжением 6-10 кВ являются одним из важнейших устройств систем электроснабжения. Одной из главных и наиболее ответственных частей трансформаторов высокого напряжения является внутренняя электрическая изоляция, электрическая прочность которой определяет надежную работу трансформаторов. В процессе эксплуатации из-за увлажнения, перегрева, динамических нагрузок и перенапряжений происходит старение изоляции, т.е. ухудшение ее характеристик. Эти воздействия, которые невозможно заранее учесть, приводят к тому, что в изоляции возникают распределенные и местные дефекты, которые в конечном итоге вызывают пробой изоляции.

Многочисленные исследования показали, что в подавляющем числе случаев причиной отказов распределительных трансформаторов является нарушение работы его изоляционной системы. При этом более 25 % отказов приходится на долю главной изоляции трансформаторов.

Чтобы выявлять развивающиеся дефекты и не допускать аварий за счет внезапных пробоев электрической изоляции, свойства ее в эксплуатации периодически проверяют. Это обеспечивает поддержание необходимой степени надежности электрооборудования в эксплуатации. Периодический контроль с целью прогнозирования расходования ресурса трансформаторного оборудования необходим и для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Это особенно важно на современном этапе эксплуатации энергетических систем, когда более 70 % основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами.

Периодичность и нормы испытаний устанавливаются Правилами технической эксплуатации. При такой системе обслуживания контроль и ремонт оборудования производят по времени эксплуатации. Более эффективной является система обслуживания по реальному техническому состоянию. Для перехода к такой системе необходимы современные приборы, основанные на надежных и научно обоснованных методах выявления дефектов и оценки технического состояния изоляции.

Несмотря на имеющуюся в этой области обширную литературу и научные публикации таких ученых как М.Е. Алпатов, М.А. Боев, П.А. Бутырин, В.А. Воробьев, A.C. Воробьев, М.Д. Глущенко, В.Г. Гольштейн, A.C. Космодамиан-ский, B.C. Ларин, А.Н. Назарычев, В.М. Пак, A.C. Серебряков, А.Ю. Хренников, до сих пор отсутствует систематическое и детальное рассмотрение основных физических явлений, используемых для целей диагностики главной изоляции распределительных трансформаторов. Отсутствуют и приборы диагностики, основанные на глубоком анализе абсорбционных процессов в неоднородной высоковольтной изоляции. Эти причины и побудили автора выполнить соответствующие исследования в НГИЭИ по плану научно-исследовательских работ.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.09.03. - «Электротехнические комплексы и системы». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследования самостоятельных электротехнических комплексов, в качестве которых рассматриваются трансформаторы 6-10 кВ, требующие объективной оценки их техни-

3

ческого состояния путем мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса с целью повышения их эксплуатационной надежности. Сформулированные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности по математическому, имитационному и компьютерному моделированию компонентов электротехнических комплексов и систем (п. 1), по обоснованию совокупности технических критериев оценки принимаемых решений в области эксплуатации электротехнических комплексов и систем (п. 2), а также по разработке методов и средств безопасной и эффективной эксплуатации электротехнических комплексов и систем (п. 5).

Целью диссертации являются исследование абсорбционных и десорбци-онных процессов в главной изоляции распределительных трансформаторов напряжением 6-10 кВ, разработка методик наиболее эффективного использования величин, характеризующих эти процессы, в качестве диагностических параметров для объективной оценки технического состояния главной изоляции трансформаторов и оценки их остаточного ресурса, а также разработка современного устройства, реализующего разработанные методики,

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Выполнить обзор и критический анализ методов и технических средств контроля состояния главной изоляции распределительных трансформаторов.

2. Разработать на основании опытных данных оптимальную математическую модель многослойной неоднородной изоляции распределительных трансформаторов напряжением 6-10 кВ.

3. Исследовать процессы в неоднородной изоляции, и определить значения внутренних параметров, устройства контроля состояния изоляции распределительных трансформаторов по абсорбционным и десорбционным процессам, обеспечивающие минимальную погрешность измерений.

4. Выполнить математическое и имитационное компьютерное моделирование процессов в неоднородной изоляции с помощью современных прикладных программ.

5. Определить диагностические параметры для объективной оценки состояния главной изоляции трансформаторов и ее остаточного ресурса.

6. Разработать новые научно обоснованные технические решения для создания средств диагностики главной изоляции распределительных трансформаторов на современной элементной базе.

7. Провести экспериментальные исследования, измеряя параметры изоляции распределительных трансформаторов и оценить достоверность теоретических исследований.

Объект исследования - распределительные трансформаторы 6-10 кВ.

Предмет исследования - эксплуатационная надежность, методы мониторинга, оценки технического состояния и остаточного ресурса распределительных трансформаторов 6-10 кВ.

Методы исследования. В работе были использованы: метод классического, операторного и численного решения линейных дифференциальных уравнений, метод направленных графов, метод математического моделирования в инте-

грированных пакетах МаШСас! и МаЛаЬ (приложение ЗгтиПпк), метод имитационного моделирования (приложение SiшPowerSystem).

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов базируется на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, математического и имитационного моделирования. Достоверность подтверждена также многократными экспериментальными исследованиями параметров главной изоляции распределительных трансформаторов и образцов разработанных приборов.

Научная новизна:

1. Определено оптимальное количество затухающих экспонент, описывающих процесс саморазряда главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ. Установлено, что процесс саморазряда изоляции описывается тремя экспонентами: быстрой, средней и медленной. При этом постоянные времени, указанных экспонент, заметно отличаются друг от друга. Принятое оптимальное число слоев в математической модели главной изоляции трансформаторов, равное трем, обеспечивает по сравнению с другими числами слоев более точную количественную оценку состояния главной изоляции трансформаторов.

2. Проанализированы процессы заряда и саморазряда трехслойной изоляции с учетом внутреннего сопротивления источника питания и сопротивления измерителя напряжения. На основании вычисленных погрешностей определены допустимые значения параметров этих элементов.

3. Доказано, что знак возвратного напряжения должен быть таким же, каким был знак напряжения, первоначально приложенного к неоднородной изоляции при ее заряде и измерении сопротивления изоляции независимо от того, как были распределены по слоям электрические емкости диэлектриков.

4. Предложена новая методика определения остаточного ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению, позволяющая повысить надежность работы трансформаторов,

5. На основании экспериментальных исследований, предложены эмпирические зависимости для определения остаточного ресурса изоляции с учетом изменения температуры трансформатора при измерениях в диапазоне от +10 до +40 °С.

6. Предложены новые научно обоснованные технические решения для создания устройств диагностики главной изоляции трансформаторов. На три устройства получены патенты РФ на изобретения и один патент РФ на полезную модель. На одно устройство получено положительное решение о выдачи патента РФ на изобретение. Определен алгоритм работы устройства диагностики изоляции при измерении параметров изоляции, улучшающий электромагнитную совместимость силовой части устройства с микропроцессорной частью.

Практическая ценность работы. Уточнены диагностические параметры для оценки технического состояния главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ по абсорбционным характеристикам. Даны рекомендации, как оценить техническое состояние и определить остаточный ресурс главной изоляции распределительных трансформаторов по измеренным значениям напряжения саморазряда и возвратного напряжения.

Разработана программа расчета остаточного ресурса изоляции по напряжению саморазряда PROSTARESIS-1. На программу получено свидетельство Роспатента о ее государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ.

Разработано устройство для измерения параметров изоляции на современной элементной базе с применением АЦП, подключаемого к компьютеру через USB-порт, что дает возможность использования для управления процессом диагностики портативных ЭВМ типа Notebook. На основании проведенных аналитических исследований процессов в неоднородной изоляции определены значения внутренних параметров источника испытательного напряжения.

Проделан комплекс экспериментальных работ на полигоне РЭС Княги-нинского района Нижегородской области. Проведенная экспериментальная работа подтвердила достоверность результатов, полученных при теоретических исследованиях, и показала, что предложенные диагностические параметры являются надежными для оценки состояния главной изоляции трансформаторов.

Предложенная методика определения остаточного ресурса трансформаторов 6-10 кВ, позволяет увеличить их эксплуатационную надежность, обоснованно увеличить срок их службы и, следовательно, удешевить их эксплуатацию.

Реализация результатов работы. Разработанное устройство для измерения параметров главной изоляции распределительных трансформаторов внедрено в Центре энергоаудита НГИЭИ. Методика определения остаточного ресурса главной изоляции распределительных трансформаторов внедрена в РЭС Княгининского района Нижегородской области. На базе разработанного устройства в НГИЭИ создается малое инновационное предприятие (МИЛ) для оценки остаточного ресурса изоляции трансформаторного электрооборудования.

Результаты исследований используются в учебном процессе в НГИЭИ при курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам «Электрические машины» и «Электроснабжение промышленных предприятий и предприятий АПК»

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Определение оптимального количества затухающих экспонент, описывающих процесс саморазряда главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ и их количественных значений - интенсивностей и постоянных времени.

2. Результаты исследований процесса заряда и саморазряда трехслойной изоляции с учетом внутреннего сопротивления источника питания и сопротивления измерителя напряжения, а также определение допустимых значений параметров этих элементов.

3. Определение знака возвратного напряжения для сопоставления результатов измерений, полученных разными авторами.

4. Методика определения остаточного ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению.

5. Комплект аппаратных и программных средств диагностики главной изоляции трансформаторов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на 30-й научно-технической конференции НГТУ "Актуальные проблемы электроэнергетики", 2011, Нижний Новгород; на 7-й международной научно-технической конференции "Научный потенциал мира",2011, София.

«Бял.ГРАД-БГ»; на 31-й научно-технической конференции НГТУ "Актуальные проблемы электроэнергетики", 2012, Нижний Новгород; на 13-й и 14-й научно-практической конференции МИИТ "Безопасность движения поездов", 2012, 2013, Москва; на международной научно-практической конференции «Основные направления развития техники и технологии в АПК и легкой промышленности», 2010, Княгинино; на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, ученых «Основные направления развития техники и технологии в АПК легкой промышленности» НГИЭИ, 2011 и 2012, Княгинино; на международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Проблемы и перспективы развития экономики сельского хозяйства» НГИЭИ, 2012, Княгинино; на 8-й международной конференции «Динамиката на съвременната наука», 2012, София. «Бял ГРАД-БГ»; на 8-й международной научно-практической конференции «Nauka: teoría i praktyka - 2012», Прага.

Публикации. По основным результатам диссертационной работы автором опубликовано 25 печатных работ, из них 5 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК, 3 патента на изобретения, патент РФ на полезную модель и свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 244 страницы, содержит 210 страниц основного текста, 118 рисунков, 8 таблиц. Список использованной литературы включает 134 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна работы и её практическая ценность.

Первая глава посвящена аналитическому обзору научных и практических исследований, касающихся методов и средств определения технического состояния главной изоляции распределительных трансформаторов. Дана их классификация и раскрыто состояние вопроса по этой проблеме. Рассмотрены современные системы изоляции трансформаторов, причины их старения и методы их совершенствования. Рассмотрено электрическое, тепловое и механическое старения изоляции. Приведен перечень основных неисправностей главной изоляции трансформаторов.

Отмечено, что в настоящее время, как в России, так и за рубежом в основном применяется система поддержания надежности изоляции трансформаторов по времени эксплуатации. Если оценивать реальное техническое состояние изоляции и ее остаточный ресурс, то можно с меньшими затратами обоснованно продлить срок службы трансформаторов без снижения надежности их работы. Особенно актуальной такая постановка вопроса становится в современных условиях в связи с большим объемом заменяемого трансформаторного электрооборудования и принятием программы ресурсосбережения.

Для перехода к системе обслуживания по реальному техническому состоянию необходимы технические средства, дающие надежную объективную

оценку состояния изоляции. Рассмотрены действующие системы профилактического контроля изоляции, определяющие степень ухудшения ее состояния. Оценка состояния изоляции производится, как правило, по отклонению контролируемых параметров от значений, установленных Правилами или измеренных при заводских испытаниях.

Приведены технические данные отечественных и зарубежных приборов для контроля состояния изоляции. Отмечены их недостатки. Показано, что достоверность оценки надежности изоляции в настоящее время еще очень низкая.

Показано, что основной задачей действующей системы профилактического контроля является определение степени ухудшения состояния изоляции. Состояние изоляции характеризуется рядом параметров, значения которых определяются процессами, происходящими в диэлектрике (поляризация, абсорбция, проводимость и т. п.). К числу этих параметров относятся диэлектрические характеристики изоляции (емкость, ее сопротивление, параметры, связанные с абсорбционными процессами (изменение во времени сопротивления и емкости), а также ряд характеристик изолирующих и охлаждающих сред (химический состав, влажность и газосодержание масла).

Как показали исследования ученых РГОТУПС, наибольшую информативность имеют параметры, связанные с процессами абсорбции (процесс заряда неоднородной изоляции с накоплением поглощенного заряда) и десорбции (процесс измерения возвратного напряжения, обусловленного отдачей поглощенного заряда).

О характере абсорбционных процессов можно судить по зависимостям сопротивления изоляции, напряжения саморазряда и возвратного напряжения от времени. Приведено описание устройства для измерения параметров изоляции (УИПИ), разработанного в РГОТУПС (рис. 1). Сформулированы технические требования для его усовершенствования.

Во второй главе проведен теоретический анализ процессов в главной изоляции распределительных трансформаторов. Главная или корпусная изоляция силовых и распределительных трансформаторов состоит из нескольких изоляционных элементов, различных по конструкции и по электрическим параметрам. Это кабельная бумага, электрокартон, бакелит и трансформаторное масло. Комбинация нескольких диэлектриков с разными электрическими параметрами позволяет получить наиболее благоприятные свойства изоляционной конструкции.

В соответствии с экспериментальными данными напряжения саморазряда главной изоляции в работе анализировались ее схемы замещения с различным числом I последовательно включенных слоев, обладающих различными сопротивлениями и электрическими емкостями. Математическая модель многослойной изоляции для процесса саморазряда при измерении идеальным вольтметром представлялась в виде суммы затухающих экспонент с разными постоянными времени.

Р2 . Р1,

ВПП

СТ

к

С1 С2 СЗ

ИНОО!

Ш Л2 М

ПТ

т

ПН

ТТЛ-

Рис. 1. Принципиальная схема УИПИ

В случае, если для отдельных слоев изоляции значения постоянных времени 'Г, и модули экспонент А\ заранее неизвестны, то задача определения их становится неоднозначной и результаты решения системы нелинейных уравнений будут зависеть от начальных приближений. Однако для главной изоляции трансформаторов, как показали исследования, значения постоянных времени отдельных слоев заметно отличаются друг от друга. Поэтому можно считать, что к 60-й секунде остается только одна самая медленная экспонента, параметры которой легко определить. Вычитая из результирующей кривой самую медленную вычисленную экспоненту, можно получить меньшую сумму экспонент, которые затухают за время, значительно меньшее 60 с. Предполагая, что на конце этой кривой, остается только одна, самая медленная из оставшихся экспонент, можно определить ее параметры. Далее процесс повторяется подобным образом.

После того как будут определены параметры А, и Г, в первом приближении, они уточняются с помощью стандартных программ интегрированного пакета Mathcad. Для определения использовались стандартные функции Find и Minerr решения системы нелинейных уравнений.

Необходимое количество точек к для нахождения параметров математической модели изоляции равно удвоенному количеству слоев 2г схемы замещения, так как каждому слою соответствует две величины — начальное значение экспоненты и ее постоянная времени.

На основании анализа кривых напряжения саморазряда установлено, что процесс саморазряда описывается тремя экспонентами: быстрой средней и медленной. Постоянные времени указанных экспонент заметно отличаются друг от друга. Показано, что двухслойная модель изоляции дает большую погрешность в начале процесса измерения. Четырехслойная модель не дает новой информации по сравнению с трехслойной. В этом случае одна экспонента представляется суммой двух, экспонент с одинаковыми постоянными времени. На основании анализа сделан вывод о том, что оптимальное число слоев в математической модели главной изоляции трансформаторов следует принять равным трем. Для нахождения параметров математической модели трехслойной схемы замещения решались шесть нелинейных уравнений:

-А _А Л. Jl Jl JL

Л,-е Т'А2-е 7-2 + А3-е г> =иС1; Аге г,Л2-е Tl + А3-е т> =ыС2;

-h.-Ii.-h. t4 t,

А,-е т,А2-е т> + А3-е т' = исз- А%-с т%-с т' + А3-е т> -иС4\ (1)

Jl Jl Jl Jl Jl Jl

Д-e T'A2 -e T' + A3-e T' =uC5; A,-e T,A2-e 7' + Аъ-е T> =uC6,

где ucx +nc& - напряжения саморазряда, измеренные в моменты времени -=-t6. Решение выполняется в интегрированном пакете MathCad. На рис. 2 показаны для сравнения составляющие напряжения саморазряда при испытательном напряжении 1000 В для двухслойной (2) и трехслойной (3) моделей изоляции. На рис. 3. приведена схема замещения неоднородной трехслойной изоляции для расчета классическим методом процесса измерения сопротивления изоляции при ее заряде (а) и процесса измерения напряжения са-

моразряда (б) с учетом внутреннего сопротивления источника питания и входного сопротивления измерителя напряжения, вг

"с \ \

,3 1

г |

V г'

\ г

О 5 10 и 20 25 3» 3? 40 4? 50 С

Рис. 2. Экспоненциальные составляющие двухслойной (2) и трехслойной (3) моделей изоляции

Рис. 3. Схемы замещения для расчета классическим методом процесса заряда изоляции (а) и процесса ее саморазряда (б)

Для определения трех корней характеристического уравнения приравнено нулю операторное сопротивление схемы замещения (рис. 4),

Кич

( -30-31573348 '-30.316"

5<31ТР. р -0.18814720+ 1.21169035 е-271 = -0.188

,-0.02968092 - 1.21169035 «-271; V -0.03 )

Иг-

ш 112 из >

-т -т 1 + Н

( 111 К2 КЗ

Т1 1 + — 1+™ тз 1 + —

■ ы)1те, т

531498725 + 7.19441145 е-281 0.03298617 - 5.93223400 г-281

' 5.315

= 0.033

,33.692,

Рис. 4. Нахождение корней характеристического уравнения и постоянных времени в процессе заряда изоляции в пакете МаЛСас!

Как видно из рис. 4, корни получились комплексные, причем мнимая часть ничтожно мала и ей можно пренебречь в расчетах. Для проверки полученных значений корней на рис. 5 построена зависимость операторного сопро-

тивления от постоянной времени заряда т (рис. 4), из которой видно, что кривая пересекает ось абсцисс в точках, значения которых равны постоянным времени.

Рис. 5. Зависимость операторного сопротивления от значения постоянной времени заряда изоляции

дм ом 8

1

------- 1 V 2

1 ]1

1 ■ —______ Г2

: 13' /Тг1

! \ ______1

1

I

Г1

-50 -.15 -55 -30 -I* -:0 -15 -1(

Постоянные интегрирования - начальные значения экспонент получены после решения в МаШСас! следующего уравнения в матричной форме:

1

Р1

.р! 1

1

Рг Р\

1

Ръ Ръ

А

Аг А,

Явт + + К2 +

ип „

ип

я*

я.

я.

-с2 +г>

(2)

где с=|—+ —+—I и/)=—+—+—. [с, с, с3) с,г, с2т2 с37;

На рис. 6 приведены зависимости тока заряда (а) и значения измеряемого сопротивления изоляции (б) от времени.

1' ;

1\ .0,5 ;

И/>гмо™

!

!

Рис. 6. Зависимости тока заряда и сопротивления изоляции от времени при разных значениях Квт

Для расчета классическим методом переходного процесса при измерении напряжения саморазряда для схемы, приведенной на рис. 3, б составлена следующая система уравнений для токов в ветвях и напряжений на конденсаторах согласно первому и второму законам Кирхгофа:

К-

-/,+/„= О,

= 0.

V + 'э +'сз =0;

(3)

' А' и ! Л

'

-Г •

с!иС2

"«Г

Я,'

г., = с,

(1иг

с/Г

(5)

(6)

Как и при заряде конденсатора три отрицательных корня характеристического уравнения получены приравниванием нулю операторного сопротивления схемы, показанной на рис. 3, б:

К] К:

1

= 0.

(7)

С учетом полученных трех корней выражение для напряжений на конденсаторах запишутся:

и.

С1

= 4еР1'+А2е^' + А3е = А7ер'1 + АлеР1' +А,е

(8)

(9)

(10)

Постоянные интегрирования получаются решением трех матричных уравнений:

' 1 1 1 " Ч"

А Л А Лг

р\ р\ А\ Л.

^ а с

4-[Я1 + С + й]

; (П)

" 1 1 1' Ч'

А А А

.р' р! А. Л.

иС10

' 14-,, и„ сД л, я«,

1-[В2 + С + о]

с,

(12)

1 1

Р. Л

р\ р\

иИ1

1 ГЕ/р. , Ь', сД я, я,

а»

-7» »

¡Л

. (13) Здесь: В2=

сю

Я, я»

С20 , и0

, 1 Уся , % Г, Д, Дч

= + Д, Л*

По результатам расчета построены зависимости напряжений в процессе саморазряда на всей изоляции и на отдельных ее слоях. Проведен расчет процессов заряда и саморазряда изоляции операторным методом. Проведенные расчеты позволили определить номинальные значения элементов диагностического устройства для измерения параметров изоляции, обеспечивающие минимальную погрешность измерения. Внутреннее сопротивление источника питания должно быть не более 1 Мом, а сопротивление измерителя напряжения - не менее 10 ГОм.

Показано, что знак возвратного напряжения должен быть таким же, каким

был знак напряжения, первоначально приложенного к неоднородной изоляции независимо от того, как были распределены по слоям электрические емкости диэлектриков.

В третьей главе приведены результаты цифрового моделирования в интегрированных пакетах МаЛСас! и МАТЪАВ ^¡тиНпк и 81тРо\уег8у51ет) процессов в главной изоляции распределительных трансформаторов при ее заряде, саморазряде и измерении возвратного напряжения.

Матрица-столбец правых частей дифференциальных уравнений в форме Коши в системе МаЛСас! приведена на рис. 7, где где Хо- ток заряда, а хь х2 и х? - напряжения на слоях трехслойной изоляции.

^ч

1

С2 "

4 11 23Я1С1 ~ И-С

1 ( ч + ч + ч ч Й110—я;—ш;

1 ( Ч + Ч + Ч Ч4!

йг0—Й;—

1 ( ч + ч + ч ч ^ сз^' Й; ю)

Рис. 7. Матрица-столбец правых частей дифференциальных уравнений заряда трехслойной изоляции

5x10" 4-1 (Г ИГ

2x10" 1x1»"

2x10

1.«х1о'

1Ы01 Ь10? 4х107

Да вв ~ "¡7

------;----- ------

— — -------1—

23<103

•>> 2хЮ3

•2,

вЗа

•• 1x10® 5оа

! в„ ;= о1. + о2в + иЗи

г 1 -------..... —1---------

>1

Рнс. 8. Зависимости тока, напряжений на конденсаторах н сопротивления изоляции от времени

В интегрированном пакете МаЛСас1 каждая стадия рассчитывалась отдельно. Объединение всех стадий в одну программу вызывает определенные затруднения, которые были решены с помощью пакета моделирования МАТЬАВ в приложениях 81ти1тк и 81тРо™'ег8у81ет. В пакете 81ти1тк вместо дифференциальных уравнений записываются уравнения в интегральной форме. На рис. 9 представлен направленный граф, на рис. 10 - Б-модель заряда и разряда трехслойной изоляции, а на рис. 11 - результаты моделирования.

Рис. 11. График изменения параметров заряда и разряда трехслойной изоляции от времени

В четвертой главе дано описание разработанных с участием автора новых устройств тестовой диагностики главной изоляции распределительных трансформаторов. На разработанные устройства получено 3 патента на изобретения, одно

положительное решение о выдачи патента на изобретение и один патент на полезную модель. Схема одного из устройств приведена на рис. 12. К выходным выводам 14 и 15 устройства подключают «землю» и объект испытания, представляющий собой в простейшем случае параллельное соединение конденсатора, емкость которого равна емкости испытуемого объекта, и резистора, представляющего собой сопротивление утечки изоляции испытуемого объекта.

Процессом управляет персональный компьютер 16 через устройство сопряжения с объектом испытания.

Цикл измерения параметров неоднородной высоковольтной изоляции включает в себя семь стадий: 1 - предварительный разряд изоляции на землю (ключи 7 и 10 разомкнуты, ключ 11 замкнут); 2 — заряд изоляции (ключи 7 замкнут, ключ 10 и 11 разомкнуты в течение 1 с, далее ключи 7 и 10 замкнуты, ключ 11 разомкнут в течение 60 с); 3 - саморазряд изоляции (ключи 7 и 11 разомкнуты, ключ 10 замкнут); 4 - повторный заряда изоляции (ключи 7 и 10 замкнуты, ключ 11 разомкнут); 5 - включение добавочного резистора при повторном заряде (ключ 7 замкнут, ключи 10 и 11 разомкнуты); 6 - кратковременный разряд изоляции на землю (ключи 7 и 10 разомкнуты, ключ 11 замкнут); 7 - измерение возвратного напряжения (ключи 7 и 11 разомкнуты, ключ 10 замкнут).

Рис. 12. Структурная схема устройства для контроля качества электрической изоляции

Рис. 13. Устройство контроля качества электрической изоляции

В исходном состоянии ключ 11 замкнут, а ключ 7 и ключ 10 разомкнуты и электрическая емкость объекта испытания разряжаются на «землю» через разрядный резистор 12 и индуктивную катушку 13. Необходимость введения индуктивной катушки вызвана соображениями электромагнитной совместимости, так как в разрядной цепи при малом значении разрядного резистора 12 и большой емкости испытуемого объекта в момент замыкания разрядного ключа 11 возникают экстратоки с крутым передним фронтом, высокочастотные электромагнитные помехи от которых могут приводить к сбою электронной аппаратуры. Включение индуктивной катушки делает передний фронт тока более пологим и тем самым снижает уровень высокочастотных помех. В установившемся режиме катушка не оказывает сопротивления протеканию тока.

15

Приведены также схемы и описания двух запатентованных устройств для ускоренного измерения сопротивления изоляции трансформаторов, имеющих большие постоянные времени заряда, и запатентованного устройства для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора с целью контроля деформации обмоток и их состояния. Приведено описание разработанного и запатентованного устройства для контроля качества электрической изоляции по емкостным характеристикам. Заканчивается глава описанием устройства для измерения израсходованного ресурса электрической изоляции электрооборудования.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований и определение диагностических параметров главной изоляции распределительных трансформаторов.

На рис. 14 показаны полученные автором реальные зависимости напряжения саморазряда от времени для распределительных трансформаторов с разными сроками эксплуатации: 1 — новый трансформатор при вводе его в эксплуатацию), 2 - после 10 лет эксплуатации, 3 - после 28 лет эксплуатации, 4 - после полного срока эксплуатации более 40 лет, когда трансформатор полностью выработал свой ресурс. Нагрузка трансформаторов составляла в среднем 70-80 % от номинальной. Измерения проведены при температуре 25 °С.

Кривые напряжения саморазряда ис, показанные на рис.14 при питании изоляции от источника испытательного напряжения 2500В аппроксимируются суммой следующих трех экспонент соответствующих трем слоям изоляции: для нового трансформатора (рис. 15, а):

__/_ __г

ис = 1766е 11 + 734е~52; для трансформатора после 10 лет работы (рис. 15, б):

__[ : __г_

ис = 840е 2-2 + 936е 9 +724е"45 для трансформатора после 28 лет работы (рис. 15, в):

I

ис =1504« 05 +764е 5 +232е"'°

для трансформатора после 40 лет работы (рис. 15, г):

' __

ис =2332« и + 136е 5 +32е 65'5

и 2000 1500 ¡У'с

\1

N 2

500 хз

0 4 10 1 5 20 2 0 35 40 5 1 0 55 с

Рис.14. Кривые саморазряда главной изоляции распределительных трансформаторов с разными сроками эксплуатации

На рис. 15 показаны гистограммы распределения напряжений на слоях главной изоляции для распределительных трансформаторов с различными сроками службы. На рис. 16 показаны гистограммы изменения напряжений на слоях изоляции для этих же трансформаторов в зависимости от времени их эксплуатации.

в 2000 1500 1000 500 0

и С'02

■

в и '

1500 1000

Р.1 и«г г

500 0 т

В 2000 1500 1000 500 0

и '

рп

и<я

¿¿л

Т1 XI тз

в 2000 1500 1000 500 0

Т1 Т2 ТЗ

12 ТЗ Т1 Т! ТЗ

а б в г

Рис. 15. Гистограммы распределения напряжений на слоях изоляции для распределительных трансформаторов с различными сроками службы: а - новый трансформатор; б - после 10 лет эксплуатации; в - после 28 лет эксплуатации; г - после 40 лет эксплуатации

Из рис. 15 и рис. 16 видно, что в процессе эксплуатации трансформаторов 6-10 кВ по мере старения изоляции происходит перераспределение напряжений на ее слоях. Средняя и медленная экспоненты уменьшаются, а быстрая экспонента увеличивается. Остаточный ресурс главной изоляции трансформаторов можно определить по следующей предлагаемой эмпирической формуле:

а+Ьи0] х '

Здесь а = 32410 В" и Ь = -11,7 В - коэффициенты пропорциональности. Остаточный ресурс Р по формуле (14) получается в годах. Для расчета оставшегося ресурса по формуле (14) разработана специальная программа РКОЗТ/ХИБ^К-! на которую получено Свидетельство Роспатента о государственной регистрации ее в Реестре программ для ЭВМ.

15 20 25 30 35 ГОДЫ

Рис. 17. Зависимость напряжение саморазряда, измеренного на 15 секунде от времени эксплуатации распределительных трансформаторов

17

0 10 20 30 40 годы 0 10 20 30 40 ГОДЫ 0 Ю 20 30 40 годы

Рис. 16. Гистограммы изменения напряжений на слоях изоляции для распределительных трансформаторов в зависимости от времени эксплуатации

На рис. 17 показана зависимость напряжение саморазряда ис15 от времени эксплуатации трансформатора. Эта зависимость от времени эксплуатации изменяется практически по линейному закону. Из графика видно, что напряжение саморазряда уменьшается в среднем на 30 В за один год. К концу срока эксплуатации скорость уменьшения напряжения саморазряда несколько снижается. Зависимость напряжение саморазряда исц от времени эксплуатации трансформатора Т выражается с небольшой погрешностью в конце срока эксплуатации уравнением прямой линии 2/cls = 1 ООО - 30Г. Израсходованный ресурс времени равен:

„ 1000-м,,,

30

Остаточный ресурс Р работы в годах определяется по формуле:

Р =

1000

т =

1000 1000-«,

30

30

"CIS

30

(16)

Рис. 18. Кривые возвратного напряжения нового трансформатора (кривая 1) и трансформатора после 28 лет эксплуатации (кривая 2)

!"в шах

/

1

1

Возвратное напряжение измеренное на тридцатой секунде и„зо уменьшается примерно на 6-7 В за год. Существенно изменяется и момент времени, при котором наблюдается максимум возвратного напряжения (рис. 18). Предложен способ оценки оставшегося срока службы высоковольтной изоляции, заключающийся в том, что измеряют максимальное значение возвратного напряжения ¡Утах и время гта, когда достигается максимальное возвратное напряжение. За оценку Р оставшегося срока службы изоляции принято выражение Р = итах-1тах/200.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании анализа параметров характеризующих абсорбционные процессы в многослойных моделях главной изоляции распределительных трансформаторов по экспериментальным данным определено оптимальное количество затухающих экспонент, описывающих процесс саморазряда главной изоляции. Установлено, что процесс саморазряда описывается тремя экспонентами: быстрой средней и медленной. При этом постоянные времени указанных экспонент заметно отличаются друг от друга. Установлены их количественные значения, характеризующие эти экспоненты.

2. Показана возможность определения параметров трехслойной математической модели главной изоляции по экспериментальным данным в интегрированном пакете MathCad методом решения системы нелинейных уравнений.

3. Проанализированы процессы заряда и саморазряда трехслойной изоляции с учетом внутреннего сопротивления источника питания и сопротивления измерителя напряжения. На основании вычисленных погрешностей определены допустимые значения параметров этих элементов, которые должны быть не более 1 МОм и не менее 10 ГОм соответственно.

4. Доказано, что знак возвратного напряжения должен быть таким же, каким был знак напряжения, первоначально приложенного к неоднородной изоляции в процессе ее заряда независимо от того, как были распределены по слоям электрические емкости диэлектриков.

5. На основании анализа процессов при измерении возвратного напряжения определено допустимое значение разрядного резистора, которое необходимо брать в пределах 10-20 кОм.

6. Предложена новая методика определения остаточного ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению. Разработана программа расчета остаточного ресурса изоляции по напряжению саморазряда PROSTARESIS-1. На программу получено свидетельство Роспатента о ее государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ.

7. На основании экспериментальных исследований предложены эмпирические зависимости для определения остаточного ресурса изоляции с учетом изменения температуры трансформатора при измерениях в диапазоне от +10 до +40 "С.

8. Разработаны оригинальные устройства диагностики главной изоляции трансформаторов, на три из них получены патенты РФ на изобретения и один патент на полезную модель.

9. Определен алгоритм работы устройства диагностики изоляции при измерении сопротивления изоляции, позволяющий улучшить электромагнитную совместимость силовой части устройства с микропроцессорной частью.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Серебряков, A.C. Контроль состояния главной изоляции трансформаторов / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - Москва, 2011. - № 10. - С. 8-11.

2. Серебряков, A.C. Диагностика корпусной изоляции распределительных трансформаторов / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // Электро - Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2013. - № 1. - С.47-51.

3. Серебряков, A.C. Диагностика главной изоляции трансформаторов продольной линии электроснабжения железных дорог / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // НИ - Наука и техника транспорта. 2013. - № 2. - С.84-89.

4. Серебряков, A.C. Определение оставшегося ресурса главной изоляции распределительных трансформаторов / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // Электротехника. 2013. -№ 6. - С.2-8.

5. Серебряков, A.C. Новое устройство для диагностика главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ системы продольного электроснабжения железных дорог / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // ЭЭТ - Электроника и электрооборудование транспорта. 2013. - № 4. - С.7-11.

Патенты РФ на изобретения

6. Патент на изобретение № 2490652 РФ. Устройство для контроля качества электрической изоляции. / Серебряков A.C., Семенов Д.А. // Опубл. 20.08.2013, Бюл{ № 23.

7. Патент на изобретение № 2489723 РФ. Устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора. / Серебряков A.C., Семенов Д.А. // Опубл. 20.08.2013, Бюл. №22.

8. Патент на изобретение № 2483312 РФ. Устройство для контроля качества электрической изоляции. / Серебряков A.C., Семенов Д.А. // Опубл. 27.05.2013, Бюл. №15.

Патент РФ на полезную модель и свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ

9. Патент на полезную модель № 119125 РФ. Устройство для контроля качества электрической изоляции. / Серебряков A.C., Семенов Д.А., Степанов Б.С., Игнаткин Д.Н. // Опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22.

10. Свидетельство Роспатента РФ № 2013617538 от 19.08.2013 о государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ программы расчета остаточного ресурса изоляции трансформаторов (PROSTARESIS-1) / Серебряков A.C., Семенов ДА.

Работы, опубликованные в реферируемых журналах

11. Серебряков, A.C. Тестовая диагностика корпусной изоляции распределительных трансформаторов АПК / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - Н. Новгород, 2011. - №4 (91). - С. 191-197.

12. Серебряков, A.C. Новое устройство для контроля качества электрической изоляции / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - Н. Новгород, 2013. - №1 (98). - С.203-208.

Работы, опубликованные в других изданиях

13. Серебряков, A.C. Анализ процессов при заряде неоднородной изоляции от источника постоянного напряжения / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // Материалы XXX научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики». - Н. Новгород, 2011. - С.120-130.

14. Серебряков, A.C. Профилактический контроль состояния корпусной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // Материалы VII международной научно практической конференции «Научный потенциал мира - 2011». Том 9. Современные технологии. София. «Бял. ГРАД-БГ» ООД, 2011. - С.38.

15. Серебряков, A.C. Определение остаточного ресурса главной изоляции трансформаторов системы продольного электроснабжения железных дорог / A.C. Серебряков, Д.А. Семенов // Труды 13 научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - Москва, Россия, 2012. Раздел V. - С. 1-2.

16. Семенов, Д.А. Измерение абсорбционных параметров изоляции силовых трансформаторов / Д.А. Семенов // Материалы международной научно-практической конференции «Основные направления развития техники и технологии в АПК и легкой промышленности». - Княгинино, 2010.

17. Семенов, Д.А. Повышение надежности трансформаторов в распределительных сетях / Д.А. Семенов // Вестник НГИЭИ, выпуск 5(6), 2011.

18. Семенов, ДА Способы повышения качества электроснабжения объектов агропромышленного комплекса / Д.А. Семенов // Материалы XI международной научно-практической конференции НГИЭИ «Социально-экономические проблемы развития муниципального образования». - Княгинино, 2011.

19. Семенов, Д.А. Методы и средства тестовой диагностики корпусной изоляций распределительных трансформаторов / Д.А. Семенов, A.B. Чекмарев // Материалы Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Проблемы и перспективы развития экономики сельского хозяйства». / НГИЭИ. - Княгинино, 2012. - С.332.

20. Семенов, Д.А. Методы контроля корпусной изоляции распределительных трансформаторов / Д.А. Семенов // Материали за 8-а Международна конференция «Динамиката на съвременната наука», 2012. Том 13. Технологии. София. «Бял ГРАД-БГ» ООД - С.88.

21. Семенов, Д.А. Методы контроля корпусной изоляции распределительных трансформаторов / Д.А. Семенов // Materialy 8 Miedzynarodowej nau-kowi - praktycznej konferrencji «Nauka: teoría i praktyka - 2012». Volume 12 Tech-niczne nauki.: przemysl. Nauka I studia- 104 str.

22. Семенов, Д.А. Определение частичных параметров корпусной изоляции трансформаторов по результатам измерений / Д.А. Семенов // Вестник НГИЭИ, выпуск 12 (19). - Княгинино, 2012.

23. Семенов, Д.А. Мониторинг изоляции трансформаторов в процессе эксплуатации /ДА, Семенов // Вестник НГИЭИ, выпуск 8 (15). - Княгинино, 2012.

24. Семенов, Д.А. Устройство с микропроцессорным управлением для диагностики изоляции электрооборудования / Д.А. Семенов // Вестник НГИЭИ, выпуск 8(15). - Княгинино, 2012.

25. Семенов, Д.А. Результаты измерений параметров корпусной изоляции автотрансформатора класса 500 кВ / ДА. Семенов // Вестник НГИЭИ, выпуск 6 (25). - Княгинино, 2013.

Лнчный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат математические модели, составление программ, разработка аппаратной части и проведение экспериментов.

Подписано в печать 28.10.2013 Формат 60x84/1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 58.

Отпечатано в типографии НГИЭИ в полном соответствии с предоставленным оригинал-макетом 606340, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22 а

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный инженерно-экономический институт

(ГБОУВПОНГИЭИ)

На правах рукописи

04201450344

Семенов Дмитрий Александрович

Разработка и совершенствование методов и средств диагностики главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Серебряков Александр Сергеевич

Нижний Новгород — 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................... 4

ГЛАВА 1. ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ............ 12

1.1. Общие замечания. Анализ отказов силовых трансформаторов... 12

1.2. Системы изоляции силовых трансформаторов..................... 20

1.3. Обзор существующих методов и устройств тестового контроля изоляции высоковольтного электрооборудования.............................. 29

1.4. Контроль состояния изоляции по напряжению саморазряда и возвратному напряжению.............................................................. 45

1.5. Автоматизированное устройство для измерения параметров

изоляции УИПИ................................................................. 53

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В МНОГОСЛОЙНОЙ

ИЗОЛЯЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ............ 58

2.1. Определение оптимального количества слоев в схеме замещения главной изоляции распределительных трансформаторов....... 58

2.2. Расчет процесса заряда неоднородной изоляции классическим методом.................................................................................... 67

2.3. Расчет процесса заряда неоднородной изоляции операторным методом..................................................................................... 81

2.4. Расчет процесса саморазряда неоднородной трехслойной изоляции классическим методом..................................................... 92

2.5. Расчет процесса саморазряда неоднородной трехслойной изоляции операторным методом..................................................... 105

2.6. О знаке возвратного напряжения..................................... 109

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ГЛАВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ПАКЕТАХ МАТНСАД БМиЬШК И 81МРО\¥ЕК8У8ТЕМ8 СИСТЕМЫ МАТЬАВ... 113

3.1. Моделирование в пакете МаШСаё..................................... 113

3.2. Исследование процессов заряда и разряда изоляции с помощью 8-моделей............................................................................... 122

3.3. Моделирование процесса саморазряда и измерения возвратного напряжения в приложение 8ш1Ро\¥ег8у51етз (8Р8)........................... 136

ГЛАВА 4. НОВЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ТЕСТОВОЙ ДИАГНОСТИКИ ГЛАВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ, РАЗРАБОТАННЫЕ С УЧАСТИТЕМ АВТОРА................................. 142

4.1. Устройство для контроля качества электрической изоляции по напряжению саморазряда и возвратному напряжению......................... 142

4.2. Устройство для измерения сопротивления электрической изоляции................................................................................... 149

4.3. Устройство для контроля качества электрической изоляции высоковольтного электрооборудования с большой постоянной времени... 156

4.4. Устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора....................................... 161

4.5. Устройство для контроля качества электрической изоляции по емкостным характеристикам.......................................................... 167

4.6. Устройство для измерения израсходованного срока службы электрической изоляции электрооборудования................................. 172

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ...................................................................... 178

5.1. Методика измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения................................................................................ 178

5.2. Определение оставшегося ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда.................................. 182

5.3. Определение оставшегося ресурса главной изоляции трансформаторов по возвратному напряжению................................. 189

5.4. Программа расчета остаточного ресурса изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда PROSTARESIS-1............ 195

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................... 198

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................... 200

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................. 211

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Распределительные трансформаторы напряжением 6-10 кВ являются одним из важнейших устройств систем электроснабжения. Одной из главных и наиболее ответственных частей трансформаторов высокого напряжения является внутренняя электрическая изоляция, электрическая прочность которой определяет надежную работу трансформаторов. Трансформаторы, как и другие электрические установки, могут надежно работать лишь с исправной изоляцией. В процессе эксплуатации из-за увлажнения, перегрева, динамических нагрузок и перенапряжений происходит старение изоляции, т.е. ухудшение ее характеристик. Эти воздействия, которые невозможно заранее учесть, приводят к тому, что в изоляции возникают распределенные и местные дефекты, которые в конечном итоге вызывают пробой изоляции. Поскольку процесс старения изоляции трансформаторов составляет несколько десятков лет, то при расчете невозможно точно учесть все указанные воздействия, по которым можно было бы расчетным путем определить степень изношенности изоляции в зависимости от времени эксплуатации и проверить надежность работы изоляции в реальных условиях.

Ресурс изоляции, как правило, определяет и ресурс трансформаторов. Многочисленные исследования показали, что в подавляющем числе случаев причиной отказов распределительных трансформаторов является нарушение работы его изоляционной системы. При этом более 25% отказов приходится на долю главной изоляции трансформаторов.

Чтобы выявлять развивающиеся дефекты и не допускать аварий за счет внезапных пробоев электрической изоляции, свойства ее в эксплуатации периодически проверяют. Это обеспечивает поддержание необходимой степени надежности электрооборудования в эксплуатации. Периодический контроль с целью прогнозирования расходования ресурса трансформаторного оборудования необходим и для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Это особенно важно на современном этапе эксплуатации

энергетических систем, когда более 70% основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами.

Периодичность и нормы испытаний устанавливаются Правилами технической эксплуатации. При такой системе обслуживания контроль и ремонт оборудования производят по времени эксплуатации. Более эффективной является система обслуживания по реальному техническому состоянию. Для перехода к такой системе необходимы современные приборы, основанные на надежных и научно обоснованных методах выявления дефектов и оценки технического состояния изоляции.

I

Несмотря на имеющуюся в этой области обширную литературу и научные публикации таких ученых как М.Е. Алпатов, М.А. Боев, П.А. Бутырин, В.А. Воробьев, A.C. Воробьев, М.Д. Глущенко, В.Г. Голыптейн, A.C. Космодамианский, B.C. Ларин, А.Н. Назарычев, В.М. Пак, A.C. Серебряков, А.Ю. Хренников, до сих пор отсутствует систематическое и детальное рассмотрение основных физических явлений, используемых для целей диагностики главной изоляции распределительных трансформаторов. Отсутствуют и приборы диагностики, основанные на глубоком анализе абсорбционных процессов в неоднородной высоковольтной изоляции. Эти причины и побудили автора выполнить соответствующие исследования в НГИЭИ по плану научно-исследовательских работ.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной

специальности 05.09.03. - «Электротехнические комплексы и системы».

Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части

исследования самостоятельных электротехнических комплексов, в качестве

которых рассматриваются трансформаторы 6-10 кВ, требующие объективной

оценки их технического состояния путем мониторинга и прогнозирования

остаточного ресурса с целью повышения их эксплуатационной надежности.

Сформулированные в диссертации научные положения соответствуют области

исследования специальности по математическому, имитационному и

5

компьютерному моделированию компонентов электротехнических комплексов и систем (п. 1), по обоснованию совокупности технических критериев оценки принимаемых решений в области эксплуатации электротехнических комплексов и систем (п. 2), а также по разработке методов и средств безопасной и эффективной эксплуатации электротехнических комплексов и систем (п. 5).

Целью диссертации являются исследование абсорбционных и десорбционных процессов в главной изоляции распределительных трансформаторов напряжением 6-10 кВ, разработка методик наиболее эффективного использования величин, характеризующих эти процессы, в качестве диагностических параметров для объективной оценки технического состояния главной изоляции трансформаторов и оценки их остаточного ресурса, а также разработка современного устройства, реализующего разработанные методики.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Выполнить обзор и критический анализ методов и технических средств контроля состояния главной изоляции распределительных трансформаторов.

2. Разработать на основании опытных данных оптимальную математическую модель многослойной неоднородной изоляции распределительных трансформаторов напряжением 6-10 кВ.

3. Исследовать процессы в неоднородной изоляции, и определить значения внутренних параметров, устройства контроля состояния изоляции распределительных трансформаторов по абсорбционным и десорбционным процессам, обеспечивающие минимальную погрешность измерений.

4. Выполнить математическое и имитационное компьютерное моделирование процессов в неоднородной изоляции с помощью современных прикладных программ.

5. Определить диагностические параметры для объективной оценки состояния главной изоляции трансформаторов и ее остаточного ресурса.

6. Разработать новые научно обоснованные технические решения для создания средств диагностики главной изоляции распределительных трансформаторов на современной элементной базе.

7. Провести экспериментальные исследования, измеряя параметры изоляции распределительных трансформаторов и оценить достоверность теоретических исследований.

Объект исследования - распределительные трансформаторы 6-10 кВ.

Предмет исследования — эксплуатационная надежность, методы мониторинга, оценки технического состояния и остаточного ресурса распределительных трансформаторов 6-10 кВ.

Методы исследования. В работе были использованы: метод классического, операторного и численного решения линейных дифференциальных уравнений, метод направленных графов, метод математического моделирования в интегрированных пакетах МаШСас! и Ма1:ЬаЬ (приложение БтшЬ'пк), метод имитационного моделирования (приложение 8кпРо\уег8у81ет).

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов базируется на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, математического и имитационного моделирования. Достоверность подтверждена также многократными экспериментальными исследованиями параметров главной изоляции распределительных трансформаторов и образцов разработанных приборов.

Научная новизна:

1. Определено оптимальное количество затухающих экспонент,

описывающих процесс саморазряда главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ.

Установлено, что процесс саморазряда изоляции описывается тремя

экспонентами: быстрой, средней и медленной. При этом постоянные времени,

указанных экспонент, заметно отличаются друг от друга. Принятое оптимальное

число слоев в математической модели главной изоляции трансформаторов,

7

равное трем, обеспечивает по сравнению с другими числами слоев более точную количественную оценку состояния главной изоляции трансформаторов.

2. Проанализированы процессы заряда и саморазряда трехслойной изоляции с учетом внутреннего сопротивления источника питания и сопротивления измерителя напряжения. На основании вычисленных погрешностей определены допустимые значения параметров этих элементов.

3. Доказано, что знак возвратного напряжения должен быть таким же, каким был знак напряжения, первоначально приложенного к неоднородной изоляции при ее заряде и измерении сопротивления изоляции независимо от того, как были распределены по слоям электрические емкости диэлектриков.

4. Предложена новая методика определения остаточного ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению, позволяющая повысить надежность работы трансформаторов.

5. На основании экспериментальных исследований, предложены эмпирические зависимости для определения остаточного ресурса изоляции с учетом изменения температуры трансформатора при измерениях в диапазоне от +10 до+40 °С.

6. Предложены новые научно обоснованные технические решения для создания устройств диагностики главной изоляции трансформаторов. На три устройства получены патенты РФ на изобретения и один патент РФ на полезную модель. На одно устройство получено положительное решение о выдачи патента РФ на изобретение. Определен алгоритм работы устройства диагностики изоляции при измерении параметров изоляции, улучшающий электромагнитную совместимость силовой части устройства с микропроцессорной частью.

Практическая ценность работы. Уточнены диагностические параметры для оценки технического состояния главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ по абсорбционным характеристикам. Даны рекомендации, как оценить техническое состояние и определить остаточный ресурс главной изоляции

распределительных трансформаторов по измеренным значениям напряжения саморазряда и возвратного напряжения.

Разработана программа расчета остаточного ресурса изоляции по напряжению саморазряда PROSTARESIS-1. На программу получено свидетельство Роспатента о ее государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ.

Разработано устройство для измерения параметров изоляции на современной элементной базе с применением АЦП, подключаемого к компьютеру через USB-порт, что дает возможность использования для управления процессом диагностики портативных ЭВМ типа Notebook. На основании проведенных аналитических исследований процессов в неоднородной изоляции определены оптимальные внутренние параметры источника испытательного напряжения.

Проделан комплекс экспериментальных работ на полигоне РЭС Княгининского района Нижегородской области. Проведенная экспериментальная работа подтвердила достоверность результатов, полученных при теоретических исследованиях, и показала, что предложенные диагностические параметры являются надежными для оценки состояния главной изоляции трансформаторов.

Предложенная методика определения остаточного ресурса трансформаторов 6-10 кВ, позволяет увеличить их эксплуатационную надежность, обоснованно увеличить срок их службы и, следовательно, удешевить их эксплуатацию.

Реализация результатов работы. Разработанное устройство для

измерения параметров главной изоляции распределительных трансформаторов

внедрено в Центре энергоаудита НГИЭИ. Методика определения остаточного

ресурса главной изоляции распределительных трансформаторов внедрена в РЭС

Княгининского района Нижегородской области. На базе разработанного

устройства в НГИЭИ создается малое инновационное предприятие (МИЛ) для

оценки остаточного ресурса изоляции трансформаторного электрооборудования.

9

Результаты исследований используются в учебном процессе в НГИЭИ при курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам «Электрические машины» и «Электроснабжение промышленных предприятий и предприятий АПК»

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Определение оптимального количества затухающих экспонент, описывающих процесс саморазряда главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ и их количественных значений — интенсивностей и постоянных времени.

2. Результаты исследований процесса заряда и саморазряда трехслойной изоляции с учетом внутреннего сопротивления источника питания и сопротивления измерителя напряжения, а также определение допустимых значений параметров этих элементов.

3. Определение знака возвратного напряжения для сопоставления результатов измерений, полученных разными авторами.

4. Методика определения остаточного ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению.

5. Комплект аппаратных и программных средств диагностики главной изоляци�