автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система определения технического состояния электротехнического оборудования по вибрационным характеристикам на основе адаптивных алгоритмов измерения

На правах рукописи

ргб т

Волошановский Алексей Юрьевич

СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ВИБРАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ НА ОСНОВЕ АДАПТИВНЫ"-: ^ДГОРИТМОВ

ИЗМЕРЕНИЯ

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2000

Работа выполнена на кафедре теоретических основ электротехники Казанского государственного энергетического университета.

Научный руководитель Заслуженный изобретатель ТАССР,

доктор технических наук, профессор З.А. Баширов

Официальные оппоненты Заслуженный изобретатель РСФСР,

Заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических паук, профессор В.А. Ференец

Кандидат технических наук, доцент В.Н. Тарасов

Ведущее предприятие ЛЭО "Татэнерго"

Защита состоится »г. в часов на заседании

диссертационного совета К 0&3.43.06 при Казанском государственном техническом университете им А.Н. Туполева по адресу: г. Казань, ул. Толстого, 15 (3-е учебное здание КГТУ), ауд. 3176

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им А.Н. Туполева

Ваши отзывы, заверенные печатью, в двух экземплярах просим присылать но адресу: 420111, Татарстан, г. Казань, ул. 1С. Маркса, 10

Автореферат разослан « zj » ¿pjs 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф. $ Z-____ АЛО. Афанасьев

7 '1

IG/. S - OR1. О.К! - ¿Г- я/Г П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В последние годы значительное внимание уделяется совершенствованию методов определения технического состояния электротехнического оборудования, например, силовых трансформаторов и электротехнических машии. Эти методы позволят перейти от профилактических ремонтов в регламентированные сроки к ремонтам по техническому состоянию. Одной из сложных задач в этой области является раннее обнаружение признаков появления различных дефектов и определения скорости их роста.

Применяемые в настоящее время способы диагностики различного оборудования предполагают его частичную или полную разборку, что сказывается на последующей его работе. Также следует учесть, что применение разборного, классического метода диагностики для некоторых объектов затруднено, а иногда даже невозможно, и тем более не может применяться для контроля технического состояния объекта в условиях эксплуатации.

Среди разнообразных методов оценки технического состояния различного электротехнического оборудования одним из наиболее эффективных является метод виброакустической диагностики. Он основан на связи параметров дефектов и характеристик виброакустических процессов, генерируемых исследуемым оборудованием.

Установление корреляционных зависимостей между параметрами дефектов и характеристиками виброакустических процессов для исследуемого электротехнического оборудования и качественный анализ характеристик этих процессов являются важнейшими задачами при оценке его технического состояния.

; -4-

Поэтому актуальность задачи создания методов и средств виброакустической диагностики электротехнического оборудования не вызывает сомнений.

Цель работы

Цель диссертационной работы заключается.,. в разработке . экспериментально-расчетного метода и системы определения технического состояния силового трансформатора по вибрационным характеристикам.

Задачи научного исследования

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) структурный и параметрический синтез вибраакустической системы диагностики;

2) повышение качества спектрального анализа виброакустических процессов;

3) разработка экспериментально-расчетного метода анализа технического состояния силового трансформатора по виброакустическим процессам;

4) разработка методов расстановки вибродатчиков для оценивания скалярного вибрационного поля.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в .работе использовались: статистическая теория пространственно-временной обработки сигналов и полей, спектрально-корреляционная теория, теория линейных операторов и графов, методы дифференциального исчисления.

Экспериментальные результаты получены при использовании современной измерительной виброакустической аппаратуры и персональной ЭВМ типа IBM PC Pentium.

Научная новизна

• Проведен структурный и параметрический синтез виброакустической системы оценки технического состояния электротехнического оборудования.

• Предложен метод повышения качества спектрального анализа виброакустических процессов, основанный на оценивании текущей статистической погрешности.

• Предложен метод расстановки вибрационных датчиков для измерения скалярного вибрационного поля на основе: оценки меры обусловленности определителя коэффициентов базисных функций, оценки пространственного спектра огибающей вибрационного процесса с последующим вычислением шага расстановки вибродатчиков по пространственным координатам, оценки значения функции когерентности и сравнения его с заданной.

• Предложен метод расчета собственных частот колебаний магнитопровода силового трансформатора для определения его технического состояния по вибрационным процессам.

Практическая ценность

• Разработаны система виброакустического определения технического состояния электротехнического оборудования и соответствующее программное обеспечение.

• Предложена методика расстановки вибродатчиков на поверхности исследуемого объекта.

На защиту <iыиоснтся:

1) методика синтеза виброакустической системы, позволяющей разделить пространственную и временную обработку виброакустического сигнала;

2) математическая модель магнитопровода силового трехфазного трансформатора для расчета его собственных частот;

3) методы расстановки вибродатчиков для оценивания скалярного вибрационного поля. Предлагаемые методы могут быть применены для измерения скалярных вибрационных полей различного электротехнического оборудования и выбираются исходя из априорной информации об объекте исследований;

4) адаптивный метод спектрального анализа. Этот метод позволяет получить заданную точность оценки спектра виброакустического процесса за счет управления временем усреднения при спектральном анализе по оценке текущей статистической погрешности.

Реализация результатов работы

Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при разработке виброакустической системы, которая используется на предприятии НТЦ «КАМАЗ» (г. Наб.Челны) и в НТЦ «S-Эмульгатор» (Представительство компании "I.F.F INVESTMENTS Ltd.") (г. Казань).

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Молодежной научной конференции «XXI Гагаринскис чтения», г. Москва, 1994 г.; иа Всероссийской студентической научно-технической конференции «Королевские чтения», г. Самара, 1995 г.; иа XV Международной межвузовской школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики», г. Йошкар-Ола, 1996 г.; на Молодежной

научной конференции «XXII Гагаринские чтения», г. Москва, 1996 г.; на Республиканской научной конференции «Проблемы энергетики», г. Казань, 1998 г.; на Втором международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике, г. Казань, 1998 г.; на III Аспирантско-магистерском научном семинаре КФ МЭИ, г. Казань, 1999 г.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность и новизна работы, сформулирована ее цель. Приведены структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены проблемы и задачи виброакустической оценки технического состояния электротехнического оборудования, приведены основные математические модели «иброакустических процессов.

Источником информации о дефекте в виброакустической диагностике является вибрационный или акустический сигнал, излучаемый объектом в ходе его функционирования. Изменение виброакустического сигнала за определенный интервал времени служит показателем технического состояния объекта исследований, связанным с его динамическими свойствами и режимами работы.

Объектом виброакустической диагностики может выступать любой элемент оборудования, функционирование которого сопровождается возбуждением виброакустических колебаний.

Рассматриваются особенности виброакустической диагностики, а также се основные этапы. Первый этап характеризуется интенсивным развитием средств измерения виброакустических процессов, сопровождающих работу оборудования. Второй - это собственно диагностика, обеспечивающая интерпретацию результатов измерений, производимых системами измерения или мониторинга, определение дефекта и степени его развития, идентификация места его образования и вынесение решения о текущем состоянии электротехнического оборудования.

Приводится классификация математических моделей в зависимости от сложности виброакустических процессов, возникающих при работе различного электротехнического оборудования, от различия их физической природы и методов математического описания.

Вторая глава диссертационной работы посвящена вопросам синтеза виброакустической системы определения технического состояния электротехнического оборудования.

Показано, что необходимость в проектировании новой системы пиброакустической диагностики возникла, когда появилась потребность оценки технического состояния силового трансформатора» которая не удовлетворялось с помощью известных систем.

Синтез виброакустической системы был рассмотрен для случая падения акустической волны на первичный акустический преобразователь.

Получено выражение для описания падающей ца первичный преобразователь акустической волны, содержащее пространственную и временную функций:

0{х,у) = ^1-и2, -и2уС,(х,у)д(х,у) ЗД = 1Х(/)ехр Н2яГА

где - направляющие косинусы;

С^(х,у) ~ функция раскрыва акустического преобразователя; д(х,у) ~ коэффициент направленности объекта исследования.

Разделение пространственно-временной функции позволило представить виброакустическую систему в виде последовательно соединенных пространственного и временного фильтров (рис.1).

Пространственный фильтр Временной фильтр

Рис. I

Для повышения достоверности результатов измерений характеристик виброакустических процессов предложен метод повышения качества спектрального анализа виброакустических процессов, основанный на оценивании текущей статистической погрешности.

Получено выражение для энергетической полосы частот анализирующего фильтра при спектральном анализе:

А«,» = 2.'Т2—

Показано, что использование адаптивного метода усреднения позволяет получить заданную точность оценки спектра виброакустического процесса за счет управления временем усреднения при спектральном анализе по оценке текущей статистической погрешности.

Рассматриваются методы расстановки вибродатчиков на различном электротехническом оборудовании для измерения скалярного вибрационного поля, и выбираются исходя из априорной информации об объекте исследований.

Первый из предлагаемых методов основан на оценке меры обусловленности определителя базисных функций:

а

где (¡(хЛ) ~ л'°бая реализация поля;

(2„(1) - случайные функции времени; <р„(х) ~ базисные функции.

Коэффициенты системы базисных функций <ра(Х]) образуют квадратную матрицу А размерностью п хп:

Л =

„Мх„) ^О,,) <рЛх»)-гРЛх„),

Для характеристики меры обусловленности используется число обусловленности:

гдс п - порядок матрицы.

По результатам анализа числа обусловленности для разных вариантов размещения датчиков, выносится решение о лучшем варианте размещения.

Второй метод основан на оценке пространственного спектра огибающей вибрационного процесса с последующим вычислением шага расстановки вибродатчиков по пространственным координатам. Применив преобразование Фурье к энергетическому спектру

G{x,у, а) = lim - £[£(*, у, со?

получим спектр огибающей пространственного энергетического спектра: G„(П„П,,®) = ~ )]G(x,y,roy'}'in<xt°>ndxdy

где i2x > Д, - пространственные частоты;

S(x,y, М) ~ спектральная плотность вибрационного поля.

В соответствии с теоремой Котельникова, минимальные расстояния между датчиками по оси хиу равны:

АХ(П) = —-—;Д1'(П) = 1

2ПХш 2ПЛ

где Qj.ii - верхние частоты в спектре огибающей

пространственного энергетического спектра по координатам х и у соответственно.

Третий метод основан на оценке значения функции когерентности и сравнения ее с заданным значением.

где С!2(а>) ~ взаимный спектр;

С'С^.СзС^) ~ спектральные плотности двух измеренных процессов.

Получен критерий расстановки вибродатчиков на поверхности исследуемого оборудования для восстановления пространственно-временного вибрационного поля с заданной точностью:

■/¡2 (0))^с; при со,, <со<соа

где е . коэффициент, характеризующий заданную точность восстановления.

В третьей главе рассмотрены метод расчета собственных частот магнитопровода силового трансформатора и варианты размещения вибродатчиков на его баке.

Для выбора мест установки датчиков на баке силового трансформатора применяется метод, основанный на оценке чисел обусловленности определителя базисных функций.

Выбраны следующие базисные функции:

, . . )лх . кяу

гДе ),к=1,2...п; I - длина бака; /, - высота бака.

Рассмотрены несколько вариантов размещения датчиков, и обоснован выбор наилучшего.

Приводится расчет собственных частот колебаний магнитопровода силового трансформатора. Для решения данной задачи был применен способ расчета рам методом перемещений (рис.2).

1 2 3

Рис. 2. Основная система, полученная путем введения дополнительных связей

Составлена система канонических уравнений:

г2,г, =о ■

где Гу — реакция в ¡.ой дополнительной связи от единичного перемещения в связи ^ой;

% - единичные перемещения. Получено трансцендентное выражение для расчета собственных частот колебаний магнитопровода силового трансформатора:

аЕЗ

2 {ькаЬ соэ аЬ - бш аЬсИаЬУ +

(1 - соэ аЬсЬаЬУ

с (хИрЬсо^аЬ - ¿таЬскаЬУ (¡ИаН соб аН ~ бш аНсИаН) (1 - соэ аЬсИаЬУ (1 - соэ аНсИаН )

(б-каЬ соб аЬ - бш аЬсЬаЬ) (якаН соб аН - бш аНсИаН)" ' 0 - (1 ~ сов аНс/?аН)~

+ (хЬаН саъ йН - бш аИсИаНУ _ ^ (1 - соб аНсИаНУ

/Г.......-

/': I V £/

- изгибиая жесткость сечения балки; т - интенсивность массы балки (масса единицы длины); р - собственная частота колебаний; Я - высота магнитопровода; £ - половина длины магнитопровода.

Решение этого уравнения методом последовательных приближений (метод Ньютона) позволяет получить значения собственных частот магнитопровода, связанных со степенью его запрессовки.

Приведены пример расчета собственных частот магнитопровода трансформатора ТМ-63/10-66 и сравнение полученных частот с экспериментальными.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки и применения системы виброакустического определения технического состояния электротехнического оборудования. :...■>•>'

Основными параметрами системы являются разрядность АЦП, время дискретизации измеряемого сигнала, частота дискретизации, количество датчиков. Найдена структура виброакустической системы.

По результатам изложенных выше теоретических исследований разработана , виброакустическая система определения технического состояния электротехнического оборудования.

В главе изложен принцип работы системы и ее технические характеристики.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложениях приведены экспериментальные данные, внешний вид системы оценки технического состояния электротехнического оборудования, акты использования результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен структурный и параметрический синтез системы виброакустического определения технического состояния электротехнического оборудования, позволяющий разделить пространственную и временную обработку виброакустического сигнала в системе виброакустической диагностики.

2. Предложен метод повышения качества спектрального анализа виброакустических процессов, основанный на оценивании текущей статистической погрешности. Данный метод позволяет за счет управления временем усреднения при спектральном анализе виброакустических процессов получить заданную статистическую погрешность спектрального анализа.

3. Предложены методы расстановки вибрационных датчиков для измерения скалярного вибрационного поля, основанные на: оценке меры обусловленности определителя коэффициентов базисных функций, оценке пространственного спектра огибающей вибрационного процесса с последующим вычислением шага расстановки вибродатчиков по пространственным координатам,

оценке значения функции когерентности и сравнении ее с заданной. Описанные методы могут быть применены к измерениям вибрационного поля, сопровождающего работу электротехнического оборудования, и выбираются исходя из априорной информации об объекте исследований.

4. Предложен экспериментально-расчетный метод анализа технического состояния силового трансформатора по виброакустическим процессам с предварительным расчетом собственных частот колебаний магнитопровода, при использовании которого учитываются геометрические размеры магиитопровода, а также параметры материала, из которого он изготовлен.

5. Разработана переносная система виброакустического определения технического состояния электротехнического оборудования, позволяющая производить измерения вибрационных полей, анализ и обработку реализаций по разработанным алгоритмам, а также обеспечивающая их хранение.

6. Результаты внедрения разработанных алгоритмов и систем в промышленность подтверждают высокую эффективность методов, предложенных в диссертации.

7. Таким образом, проведенные исследования позволяют осуществить целенаправленное проектирование виброакустических систем диагностики, а также адаптировать базовую систему для других объектов исследований.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волошановский АЛО. Модуляция как управление информационными параметрами сигналов 11 Сборник тезисов

докладов молодежной научной конференции «XXI Гагаринские чтения», М„ 1994. С. 52.

2. Волошановекий А.Ю., Баширов З.А. Проектирование систем виброакустической диагностики электротехнического оборудования // Материалы докладов XV Международной межвузовской школы -семинара «Методы и средства технической диагностики», Йошкар-Ола, 1996.

3. Волошановекий А.Ю. Тагиров Ш.Ф. Метод пространственного размещения контрольных точек . при оценке скалярного вибрационного поля И Сборник тезисов докладов молодежной научной конференции «XXII Гагаринские чтения», М., 1996. С. 189190.

4. Патент № 2145420 от 12.03.1997. Система контроля высоковольтных вводов. // Баширов З.А. Мещанинов В.А., Вакатов A.C. Волошановекий А.Ю.

5. Баширов З.А., Волошановекий А.Ю. Синтез виброакустической измерительной системы для диагностики электротехнического оборудования // Сборник тезисов республиканской научной конференции «Проблемы энергетики», Казань, 1998.

6. Баширов З.А., Волошановекий А.Ю. Проблемы и задачи разработки систем виброакустического контроля и диагностики электротехнического оборудования // Материалы докладов второго международного симпозиума по энергетике, окружающей среде и экономике, Казань, 1998.

7. Волошановекий А.Ю. Метод распознавания степени запрессовки обмоток силового трансформатора // Материалы докладов Ш аспирантско - магистерского научного семинара КФ МЭИ, Казань, 1999.

8. Баширов З.А., Волошановекий А.Ю., Наумов A.A. Методы расстановки датчиков для оценки скалярного вибрационного поля в

задачах вибродиагностики Л Проблемы энергетики.'2000. № 7-8. С.

9 Волошановский А.Ю., Баширов З.А. Планирование размещения датчиков на конструкции оборудования для оценки его вибрационного поля II Школа семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова, Казань, 2000.

Ю, Волошановский А.Ю. Метод виброакустической диагностики электротехнического оборудования на основе анализа импульсной характеристики // Тезисы докладов 12-го Межвузовского постоянно действующего научно-технического семинара научно-исследовательской акустической лаборатории им. A.C. Фигурова, Казань, 2000.

Подписано к печати 20.11.2000г. Формат 60x84 1.16 Бумага офсетная

86-90.

Лицензия № 00743 от 28.08.2000г.

Гарнитура «Тайме»

Печ. л. 1,0

Усл. Печ. Л. 0,93

Уч.-изд.л.1.0

Тираж 100 экз.

Заказ Ш

Типография КГЭУ, 420066, Казань, Красносельская, 51.