CC BY
1
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
Научная статья УДК 621.314.222.6
Б01: 10.24412/2227-9407-2024-12-59-71 ББ№ ^МБШЬХ
Контроль главной изоляции силовых трансформаторов по возвратному напряжению
Дмитрий Александрович Семенов1, Николай Николаевич Кучин2, Наталья Александровна Полянская3 в
12 3 Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия
1 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-9228-6864
2 [email protected], https://orcid.org/0009-0001-9176-2988
[email protected]://orcid.org/0000-0002-5222-8686
Аннотация
Введение. В статье представлена экспериментальная зависимость возвратного напряжения от времени, полученная авторами при испытаниях главной изоляции распределительных трансформаторов сельскохозяйственных электросетей с различным сроком службы.
Материалы и методы. Рассмотрены различные методы контроля и технической диагностики электрической изоляции высоковольтного оборудования с целью определения ее остаточного ресурса. Также рассмотрены методы мониторинга электрической изоляции.
Результаты. Показано, что произведение максимального значения возвратного напряжения ивмакс на значение времени ^акс, когда этот максимум напряжения наблюдается, практически линейно связано со сроком эксплуатации и израсходованным ресурсом изоляции.
Обсуждение. В статье представлены результаты исследования зависимости кривых возвратного напряжения от срока эксплуатации высоковольтных трансформаторов. Анализ полученных данных позволил установить, что с увеличением срока эксплуатации наблюдается закономерное снижение значения возвратного напряжения. Также представлена структурная схема устройства для контроля состояния изоляции по возвратному напряжению и описан принцип работы самого устройства. Предложенное устройство для контроля состояния изоляции позволяет оперативно диагностировать состояние изоляции трансформаторов и своевременно предотвращать аварийные ситуации.
Заключение. Предложена неизвестная ранее формула для определения израсходованного ресурса и оставшегося срока службы изоляции с использованием значений ивмакс и ^акс. Приведено описание разработанного авторами запатентованного устройства для диагностики изоляции трансформаторов по измеренным значениям возвратного напряжения. Применение разработанного устройства и предлагаемая методика позволяют повысить надёжность работы распределительных трансформаторов и систем электроснабжения АПК.
Ключевые слова: возвратное напряжение, диагностика изоляции трансформаторов, израсходованный ресурс, контроль состояния изоляции, оставшийся ресурс работы, оценка состояния изоляции, срок службы изоляции, старение электрической изоляции, Р-коэффициент
Для цитирования: Семенов Д. А., Кучин Н. Н., Полянская Н. А. Контроль главной изоляции силовых трансформаторов по возвратному напряжению // Вестник НГИЭИ. 2024. № 12 (163). С. 59-71. Б01: 10.24412/22279407-2024-12-59-71. ББ№ ^МБШЬХ.
., Кучин Н. Н., Полянская Н. А., 2024 Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
59
© Семенов Д.
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ Ff гггр/гл/ тггнмтnizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvmlvmiii^ electrical technologies, electrical equipment
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx Control of main insulation of power transformers by return voltage
Dmitry A. Semenov1, Nikolay N. Kuchin2, Natalia A. Polyanskaya38
12 3 Nizhny Novgorod State Engineering and Economics University, Knyaginino, Russian Federation
1 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-9228-6864
2 [email protected], https://orcid.org/0009-0001-9176-2988
[email protected]'81, https://orcid.org/0000-0002-5222-8686
Abstract
Introduction. The article presents the experimental dependence of the recovery voltage on time, obtained by the authors during tests of the main insulation of distribution transformers in agricultural electrical networks with varying service life.
Materials and Methods. Various methods for monitoring and technical diagnostics of electrical insulation in highvoltage equipment are considered to determine its residual resource. Monitoring methods for electrical insulation are also discussed.
Results. It is shown that the product of the maximum recovery voltage uvmax and the time tmax at which this maximum voltage is observed is practically linearly related to the service life and the consumed resource of the insulation. Discussion. The article presents the results of a study on the dependence of recovery voltage curves on the service life of high-voltage transformers. An analysis of the obtained data has established that with an increase in service life, there is a regular decrease in the value of the recovery voltage. A structural diagram of a device for monitoring insulation condition based on recovery voltage is also presented, along with a description of the device's operating principle. The proposed device for monitoring insulation condition allows for the prompt diagnosis of transformer insulation status and timely prevention of emergency situations.
Conclusion. An unknown formula for determining the consumed resource and remaining service life of insulation using the values of uv.max and tmax is proposed. A description of a patented device developed by the authors for diagnosing transformer insulation based on measured recovery voltage values is provided. The application of the developed device and the proposed methodology can enhance the reliability of distribution transformers and power supply systems in the agricultural sector.
Key words: return voltage, transformer insulation diagnostics, spent resource, insulation condition monitoring, remaining service life, insulation condition assessment, insulation service life, aging of electrical insulation, P-coefficient
For citation: Semenov D. A., Kuchin N. N., Polyanskaya N. A. Control of main insulation of power transformers by return voltage // Bulletin NGIEI. 2024. № 12 (163). P. 59-71. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-12-59-71. EDN: WFWJLX.
Введение
Высоковольтные трансформаторы являются одним из ключевых компонентов систем передачи и распределения электроэнергии. Как и прочие электроустановки, они могут бесперебойно работать только в том случае, если исправна изоляция. Влажность, перегрев, динамические и избыточные нагрузки в процессе эксплуатации приводят к общему старению изоляции, т. е. к негативному изменению ее физико-химических характеристик. В результате в изоляции трансформаторов образуются локализованные (концентрированные) и распределенные дефекты, приводящие к разрушению и пробою изоляции. Чтобы этого не происходило, а также
для увеличения срока эксплуатации трансформаторов, следует проводить обследование изоляции с использованием следующих методов диагностики:
- метод частотных характеристик, позволяющий проанализировать влияние возмущений постоянного или переменного тока на амплитудные характеристики изоляции;
- метод измерения емкости и потерь изоляции, позволяющий произвести оценку состояния изоляции трансформатора на основе емкостных и по-терьных характеристик;
- метод оценки поляризационного тока, основанный на измерении поляризационного тока изоляции при ее зарядке переменным напряжением [3; 9].
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
Использование вышеперечисленных методов позволяет своевременно оценить состояние изоляции трансформаторов и принять меры по ее усилению или замене. Это, в свою очередь, позволяет предотвратить различные аварийные ситуации и обеспечить надежную работу высоковольтных трансформаторов.
Процесс старения изоляции длится несколько десятков лет. Поэтому точно учесть все указанные дефекты расчетным путем и проверить надежность ее работы в реальных условиях эксплуатации невозможно. Для решения этой проблемы необходимо регулярное обследование изоляции с применением различных методов диагностики. В частности:
- визуальный осмотр, позволяющий определить видимые повреждения, трещины, коррозию и другие внешние дефекты;
- измерение сопротивления изоляции, т. е. определение электрического сопротивления изоляции для выявления утечек;
- испытания высоким напряжением, т. е. проверка изоляции на устойчивость к высокому напряжению;
- анализ влажности - определение уровня влажности в изоляции, способное привести к снижению ее сопротивления;
- термография - выявление перегревов, которые могут указывать на дефекты в изоляции [1; 2; 3; 4; 5; 6].
Именно комплексный подход к оценке состояния изоляции является наиболее эффективным способом оценки ее эксплуатационных характеристик в определенный момент времени и позволяет своевременно исправить выявленные дефекты, обеспечить безопасность, надежность и долговечность работы электрооборудования.
В большинстве случаев запас прочности изоляции тесно коррелирует с ресурсом самих трансформаторов. Чаще всего причиной выхода из строя силового высоковольтного трансформатора является выход из строя его системы изоляции. По усредненным данным на главную изоляцию трансформаторов приходится более 25 % основных отказов работы оборудования. В связи с этим исследования в данной области будут способствовать применению более эффективных методов диагностики изоляции, что, в конечном счете, повысит уровень безопасности и надежности энергетических систем в целом.
Для предотвращения внезапного пробивного разрушения электроизоляции и своевременного обнаружения возникших в процессе эксплуатации дефектов ее свойства периодически тестируются. Это обеспечивает поддержание должного уровня надежности электрооборудования, а также позволяет спрогнозировать показатели расхода парка трансформаторного оборудования. В современных условиях, когда более 70 % основного оборудования выработали свой нормативный регламентированный ресурс, решение данной проблемы приобретает первостепенное значение в эксплуатации энергосистем. Регулярная своевременная диагностика и контроль состояния трансформаторного оборудования позволяют выявлять потенциальные неисправности и принимать меры по их устранению, что, в конечном счете, приводит к повышению надежности и увеличению срока службы оборудования, а также снижению рисков аварий и эксплуатационных расходов.
Материалы и методы
Основными методами мониторинга состояния трансформаторного оборудования являются термография (измерение температуры для выявления перегрева), акустическая диагностика (выявление шумов, связанных с процессами разрядки и изоляционными дефектами), анализ газовых выделений из масляных трансформаторов, метод электрической промывки (позволяющий выявить и устранить дефекты в изоляции и снизить вероятность внезапных пробивных разрушений), а также методы диэлектрической прочности, измерения токов утечки, оценки химического состава изоляционных материалов и другие.
Термин «силовые трансформаторы» относится к трансформаторам, рассчитанным для преобразования, передачи, распределения и потребления электрической энергии. Термин «распределительные» характеризует трансформаторы, осуществляющие финальное преобразование напряжения в системе распределения электроэнергии, понижая напряжение в распределительных линиях до уровня, используемого непосредственно потребителем электроэнергии. При этом трёхфазные приёмники электрической энергии получают напряжение 380 В, а однофазные - 220 В. Первичное напряжение распределительных трансформаторов обычно составляет 3, 6 или 10 кВ.
Таким образом, упреждающим методом контроля изоляции в отключенном состоянии является
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
тестовая диагностика. В процессе таких испытаний применяются косвенные методы оценки характеристик изоляции, такие как измерение тангенса угла диэлектрических потерь [7; 12], сопротивления изоляции и коэффициента абсорбции, измерение емкости изоляции, напряжения саморазряда и возвратного напряжения. Основной задачей технической диагностики является определение фактического технического состояния изоляции электрооборудования, а также израсходованного и остаточного ресурса.
Методы контроля изоляции с использованием абсорбции являются важным инструментом для оценки состояния изоляции электрических трансформаторов [10; 13]. Абсорбция изоляции - это способность материала со временем поглощать влагу или другие вещества, влияющая на его свойства. В контексте контроля изоляции анализ абсорбции может быть использован для выявления дефектов и ухудшения качества изоляционного материала.
Одним из распространенных методов контроля состояния изоляции с использованием явления абсорбции является измерение коэффициента диэлектрической потери (тангенс угла диэлектрических потерь), используемый для оценки потерь энергии в изоляционном материале под воздействием переменного электрического поля. Метод позволяет выявить наличие влаги или примесей в изоляционном материале.
Другим методом является измерение объемной или поверхностной сопротивляемости изоляционного материала. Определение и отклонение данных параметров могут также свидетельствовать об изменениях в структуре или составе материала изоляции.
В целом анализ абсорбции в изоляции позволяет рано обнаруживать дефекты или изменения в материале, что помогает предотвратить возможные отказы оборудования и обеспечить надежную работу электротехнических систем, гарантирует безопасность как для оборудования, так и для людей
[7; 16].
Результаты
В соответствии с регламентными и нормативными документами, оценка состояния изоляции производится путем измерения сопротивления через минуту после подачи напряжения на изоляцию, когда ток абсорбции уменьшается до нуля. Для этой процедуры используется специальная схема измерения, изображенная на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема устройства для измерения сопротивления изоляции, напряжения саморазряда и возвратного напряжения УДЭИ-1: ВИП - высоковольтный источник питания; И1 - измеритель тока; И2 - измеритель напряжения; П1 и П2 - высоковольтные реле; С1, C2, R1, R2 - испытуемая изоляция Fig. 1. Schematic diagram of the device for measuring
insulation resistance, self-discharge voltage and return voltage UDEI-1: VIP - high-voltage power supply; I1 - current meter; I2 - voltage meter;
P1 and P2 - high-voltage relays;
C1, C2, R1, R2 - test insulation Источник: данные рисунка получены в ходе исследований
Для простоты схема неоднородной изоляции представлена как двухслойная, хотя на практике чаще выполняется как трехслойная. Отношение минутного значения сопротивления изоляции к его пятнадцатисекундному значению характеризует нормированный коэффициент абсорбции или поглощаемый ток. Но ввиду того, что токи утечки и токи абсорбции очень малы и им сильно мешают промышленные шумы, данный метод неточен. Поэтому для определения явлений поглощения удобнее использовать другие методы [15; 19]. Так, например, на практике более достоверные сведения о состоянии неоднородной изоляции можно получить, если измерить напряжение саморазряда uC или возвратное напряжение иВ.
Напряжение саморазряда является одним из многих параметров, которые необходимо учитывать при оценке состояния изоляции трансформаторов. Снижение данного показателя может свидетельствовать о старении изоляции, наличии влаги и других проблемах. А анализ изменений напряжения саморазряда в динамике может помочь прогнозировать остаточный ресурс изоля-
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
ции. Напряжение саморазряда ис измеряют по той же схеме на рисунке 1 на предварительно заряженной изоляции после её обесточивания (высоковольтное реле П1 выключено, а высоковольтное реле П2 - включено). Корреляция напряжения саморазряда ис от времени ^ при напряжении высоковольтного источника питания 2500 В показана на рис. 2.
Возвратное напряжение иВ также измеряют на предварительно заряженной изоляции после прекращения подачи испытательного напряжения (высоковольтное реле П1 выключено) и кратковременного разряда на землю (высоковольтное реле П2 кратковременно выключается) (рис. 1). На рисунке 3 показана взаимозависимость возвратного напряжения иВ от времени
В
2000
1500
1000
500
о
\»с
t
0 10 20 30 40 50 t
Рис. 2. Корреляция напряжения саморазряда Uc от времени t
Fig. 2. Dependence of self-discharge voltage on time t Источник: данные рисунка получены в ходе исследований
В
350 300 250 200 150 100 50 0
щ
t\
сЫъ dt 1 1
/ 0 1 1 I
1^макс t
0
10
20
30
40
50
Рис. 3. Корреляция возвратного напряжения иВ от времени t
Fig. 3. Return voltage versus time t Источник: данные рисунка получены в ходе исследований
При кратковременном разряде на землю той же изоляции (высоковольтное реле Р2 кратковременно отключается) конденсаторы С1 и С2 включаются параллельно, но с противоположной полярностью. Напряжения на обоих конденсаторах одинаковы по величине, но противоположны по знаку.
Поэтому после включения высоковольтного реле Р2 в момент времени ^ = 0 напряжение изоляции, равное сумме напряжений конденсаторов С1 и С2, всегда равно нулю, и далее, из-за того, что конденсаторы С1 и С2, подключенные к резисторам R1 и Я2, разряжаются по-разному, возвратное напряжение
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
первоначально увеличивается, а затем постепенно уменьшается (рис. 3).
Для оценки состояния изоляции по возвратному напряжению иВ в зарубежной литературе рекомендуют использовать «соотношение существенных параметров формы возвратного напряжения», которое называют «^-коэффициентом» или «р-параметром» (рис. 3):
и
р _ в.макс
5 • I '
макс
где ивмакс - максимальное значение возвратного напряжения; ¿тах - время, при котором наблюдается максимум возвратного напряжения, 5 - начальный фронт кривой возвратного напряжения, определяемый по формуле:
s
t'
(2)
где - время, при котором прямая, проведенная под углом начального фронта 5 кривой возвратного напряжения, достигнет значения максимального возвратного напряжения ив.макс (рис. 3).
На практике р-параметр используется как относительный оставшийся срок службы изоляции по отношению к сроку службы новой изоляции при вводе высоковольтного электрооборудования в эксплуатацию.
Для р-параметра формула (1) преобразовывается в вид:
Р =
tt
s ■ t.
u„
t
t
t
(3)
Коэффициент р повышается с увеличением влажности и старением изоляции. В зарубежных исследованиях установлено следующая зависимость: если кабель насыщен влагой, то р-коэффициент превышает 0,2. Данный тренд характерен для электрических масляных трансформаторов и кабелей с бумажно-масляной изоляцией.
Однако, как установили авторы опытным путем, Р--параметр существенно изменяется в процессе эксплуатации. Поэтому на основе анализа измеренной кривой возвратного напряжения авторы предложили еще один критерий оценки состояния изоляции и ее израсходованного ресурса. Ниже представлена математическая модель старения неоднородной изоляции высоковольтных распределительных трансформаторов.
Введение такого критерия, как Р-параметр, позволит наиболее объективно оценивать качество главной изоляции высоковольтных трансформаторов. Именно по характеристикам поляризационных процессов, по показателю изменения возвратного напряжения можно дать наиболее точную характеристику старения и разрушения материала, которые не всегда могут быть зафиксированы традиционными методами испытаний. Параметр возвратного напряжения отражает способность изоляционного материала поляризоваться под действием приложенного к нему напряжения и возвращаться к исходному состоянию после его снятия. Исследования авторов показывают, что, как правило, с увеличением срока службы изоляции трансформаторов ее электрическая прочность снижается, что проявляется в изменении кривой возвратного напряжения. Изменение формы кривой указывает на изменение свойств изоляционных материалов (таких как степень загрязнения, структурные дефекты, влажность и другие), существенно снижающих электрическую прочность изоляции. Данный подход позволяет наиболее точно оценивать состояние главной изоляции и ее способность выдерживать длительные электрические нагрузки. Это особенно важно для предотвращения неожиданных отказов оборудования, обеспечения его надежной эксплуатации. Кроме того, это позволит проводить профилактическое обслуживание электроустановок более целенаправленно и экономически эффективно.
Обсуждение
Для определения зависимости состояния изоляции от характеристик возвратного напряжения в исследованиях было использовано оборудование, имеющее различные сроки эксплуатации (рисунок 4).
Ключевыми моментами при анализе графика являются:
- форма кривой (кривые возвратного напряжения для трансформаторов с различным сроком эксплуатации должны иметь разные формы);
- крутизна (кривая возвратного напряжения старого трансформатора будет иметь меньшую крутизну по сравнению с данным показателем нового трансформатора);
- напряжение пробоя (точка пробоя на кривой возвратного напряжения, т. е. где изоляция перестает выдерживать напряжение, должна быть ниже у старого трансформатора);
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
- сравнительный анализ (важно сравнивать кривые возвратного напряжения от различных трансформаторов, чтобы определить различия в их состоянии).
Как видно из рис. 4, произведение ив.макс^макс для каждой кривой существенно различаются. Данные о каждой кривой возвратного напряжения сведены в табл. 1.
В
'00
600
500
400
300
200
100
о
V"2
--—3 v
1\
___t
о
10
20
30
40
50
Рис. 4. Кривые возвратного напряжения изоляции силовых 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 38 лет, когда трансформатор полностью выработал свой ресурс Fig. 4. Insulation return voltage curves of power transformers with different service life: 1 - a new transformer when it is put into operation; 2 - after 10 years of operation; 3 - after 28 years of operation; 4 - after the full service life of 38 years, when the transformer has completely exhausted its resource Источник: данные рисунка получены в ходе исследований
Таблица 1. Измеренные и расчётные значения по данным кривых возвратного напряжения Table 1. Measured and calculated values according to return voltage curves
Оставшийся ресурс
Срок эксплуатации Т, годы / Service life T, years ив.мак^ В ^мак^ с ив.макс ^мак^ В с u • t р = в.макс макс , годы / 200 Remaining resource, years
0 10 28 38
277 710 644 77
22 5.6 1,57 2.5
6094 3976 1011 192
30 20 5 1
Источник: составлено авторами по результатам исследований
На рис. 5 приведена зависимость оставшегося ресурса Р от срока эксплуатации Т. Как видно из рис. 5, эта зависимость практически линейная. Из табл. 1 и рис. 5 следует, что при нормальных условиях эксплуатации оставшийся ресурс изоляции практически линейно зависит от срока эксплуатации. За каждый год эксплуатации значение произведения мв.макс • ¿макс уменьшается на 200 В с. Следовательно, параметры обратного
напряжения являются простым и надежным критерием диагностики высоковольтной изоляции и определения ее остаточного срока службы. Остаточный срок службы изоляции распределительных трансформаторов определяется по формуле, предложенной авторами:
p _ ^в.макс
t
200
(4)
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
ГОДЫ
20
10
0
^^ Р ост рес л глин ноя >рс
\ ср ж
Ж сплуатации ^^^J
0
10
20
30
годы ■L
Рис. 5. Зависимость оставшегося ресурса изоляции (площади P = (ив макс ■ ¿макс) / 200)
кривых возвратного напряжения силовых трансформаторов от срока эксплуатации Т
Fig. 5. Dependence of the remaining insulation resource (area P = (ив макс ■ ¿макс) / 200)
of the return voltage curves of power transformers on the service life T Источник: данные рисунка получены в ходе исследований
Рис. 6. Структурная схема устройства для контроля состояния изоляции по возвратному напряжению Fig. 6. Structural diagram of the device for monitoring the state of insulation by return voltage Источник: составлено авторами по результатам исследований
Структурная схема запатентованного устройства контроля качества электроизоляции по возвратному напряжению представлена на рисунке 6. Устройство имеет источник испытательного напряжения 1, эталонный резистор 2, зарядный ключ 3,
разрядный ключ 4, разрядный резистор 5, первый масштабный преобразователь напряжения 6, испытуемый объект 7, размыкающий блок-контакт 8 зарядного ключа 3, замыкающий блок-контакт 9 зарядного ключа 3, замыкающий блок-контакт 10 раз-
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
рядного ключа 4, двухканальный цифровой измеритель 11 с памятью, устройство отображения информации 12, дифференциальный элемент 13, нуль-компаратор 14, световой индикатор 15, первый пиковый детектор 16, второй пиковый детектор 17, счетчик времени 18, первый умножитель напряжения 19, второй масштабный преобразователь 20, первый цифровой индикатор 21, блок управления 22 с выходами «Заряд», «Разряд», «Пуск» и «Установка нуля», генератор тактовых импульсов 23, органы управления 24, двухканальное цифровое измерительное устройство 11 с запоминающим устройством, второй блок умножителя напряжения 25, блок деления напряжений 26, второй цифровой индикатор 27, первый 28 и второй 29 выходные выводы устройства [17; 18].
Информационный вход первого канала цифрового измерителя соединен с выходом первого преобразователя напряжения посредством размыкающего блока контактного ключа и замыкающего блока разрядного ключа. Соединение от измерительного устройства к первому выводу эталонного резистора выполняется через замыкающий блок другого зарядного ключа. Первый выход устройства связан с выходом источника через один из зарядных ключей. Второй выход устройства соединен с вторым выводом первого преобразователя напряжения, вторым выводом эталонного резистора и землей.
Представленное устройство функционирует в следующей последовательности. В начальной конфигурации на выходе блока управления формируются сигналы, которые обеспечивают замыкания ключа 4 и размыкание ключа 3. Таким образом, электрический потенциал испытываемого объекта разряжается через блок управления в течение одной минуты, при этом используется разрядный резистор с низким сопротивлением. После завершения разряда конденсаторов объекта измерения в течение одной минуты, в соответствии с установленными правилами, блок управления сначала выдает сигнал для размыкания ключа 4, а затем - для замыкания ключа 3.
В описанном режиме работы ключей 3 и 4 начинается процесс заряда изоляционного материала объекта контроля. При этом блок управления активирует тактовый генератор. Каждую секунду (либо с опциальным интервалом в 5 секунд) происходят сохранения сигналов с выхода тактового генератора, которые имеют частоту 1 секунду. Эти данные передаются на первый управляющий вход
двухканального цифрового измерителя с памятью и фиксируются значения напряжения, которые пропорциональны току разряда в памяти измерительного устройства.
По истечении минуты с начала процесса заряда изоляции происходит отклонение переключателя 3. В этом случае блок-контакт 9 размыкается, а блок-контакт 8 замыкается, что инициирует процесс саморазряда изоляционного материала. Напряжение, соответствующее саморазряду объекта измерения, передается с выхода первого масштабного преобразователя напряжения на второй информационный вход цифрового измерителя с запоминающим устройством. После завершения саморазряда ключ 3 снова замыкается на одну минуту, что позволяет изоляции восполнить внутренний заряд, потерянный во время процесса саморазряда.
Затем в результате замыкания блок-контактов 8 и 10 на второй информационный вход двухка-нального цифрового измерителя подается напряжение, пропорциональное возвратному напряжению. Это напряжение фиксируется каждую секунду в течение минуты. В начале данного измерения сигнал «установка нуля» на выходе блока управления сбрасывает пиковые детекторы и перезапускает счетчик времени.
Максимальное возвратное напряжение фиксируется первым пиковым детектором. Второй пиковый детектор сохраняет начальный наклон возвратного напряжения, что соответствует максимальному значению производной на выходе блока дифференцирования. Когда возвратное напряжение достигает максимума, его первая производная и сигнал на выходе дифференциального элемента равны нулю. Это приводит к активации нуль-компаратора, который отключает счетчик времени, о чем свидетельствует световой индикатор. На выходе счетчика времени фиксируется сигнал, соответствующий измеренному времени ¿мах, когда достигается максимум возвратного напряжения иМАХ
Рассмотрим, как сначала вычисляется произведение иВМАХ и ¿МАХ с помощью первого блока умножения 19. Затем, с учетом работы второго масштабного преобразователя 20, на дисплей цифрового индикатора 21 выводится расчетное значение оставшегося ресурса работы Р изоляции, которое основывается на заранее установленной форму-
и • /
П и В.МАКС 1 МАКС
ле Р _-.
200
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
Для определения оставшегося относительного срока службы изоляции используется срок эксплуатации новой изоляции, зафиксированный при вводе в эксплуатацию высоковольтного электрооборудования, согласно формуле (1).
Второй блок умножения 25 выполняет перемножение значений 5 и ¿мах. Сигналы, полученные от блоков 16 и 25, передаются на входы блока 26, который занимается делением напряжений. Сигнал, который формируется на выходе блока деления напряжений 26, направляется на вход второго блока индикации 27. На экране второго цифрового индикатора 27 отображается рассчитанное значение коэффициента с формулой (1).
Своевременная и объективная оценка состояния электроизоляции и ее остаточного ресурса способствуют повышению надежности высоковольтного электрооборудования, что, в свою очередь, приводит к повышению показателей технико-экономической эффективности предлагаемого изобретения [20].
Заключение
Предложен новый, неизвестный ранее критерий оценки состояния главной изоляции силовых трансформаторов по возвратному напряжению, который также подходит для распределительных и магистральных трансформаторов. Показано, что по мере увеличения срока эксплуатации варьируется максимальное значение возвратного напряжения мв.макс и время ¿макс, когда этот максимум наступает.
На основе всего вышеизложенного оценку оставшегося ресурса главной изоляции трансформаторов можно представить простой формулой
JD _ / ив.макс ^макс \
P ~ \ 200 ) .
Для новой изоляции значение про-
изведения в числителе формулы составляет 6000 Вс. У трансформаторов, полностью выработавших свой ресурс, оно стремится к нулю, со среднегодовой скоростью старения оборудования в среднем на 200 В с в год. Таким образом, при значении (ив.макс • ¿макс) меньше 200 В с, трансформаторы следует признать полностью изношенными по изоляции.
Применение сформулированного в статье критерия не только к главной изоляции, но и к силовым и магистральным электроустановкам может существенно облегчить процесс оценки состояния последних и способствовать стандартизации процедур контроля и улучшения общей надежности электроснабжения.
Процесс оценки всех видов электроустановок с помощью предложенного критерия будет способствовать:
1. Унификации методов оценки и сокращению затрат. Использование критерия, разработанного для главной изоляции трансформаторов для других видов электроустановок, позволит сократить затраты и время обучения персонала и повысит эффективность контроля.
2. Снижению вероятности ошибок, т. к. единый критерий снизит вероятность ошибочной интерпретации показателей при оценке разных типов оборудования.
3. Оперативности принятия решений. При наличии единого критерия специалисты смогут быстрее оценивать состояние оборудования и принимать решения.
4. Формированию единых стандартов в ведении и анализе документации по состоянию и обслуживанию оборудования, поскольку все данные будут обрабатываться по единой методике.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Михеев Г. М., Димитриев А. А., Каландаров Х. У., Федоров О. В. Анализ существующих подходов и методов диагностирования регуляторов напряжения под нагрузкой силовых трансформаторов // Вестник Чувашского университета. 2022. № 3. С. 61-72. Б01 10.47026/1810-1909-2022-3-61-72. ББК ТОЬЯБХ.
2. Высогорец С. П. Прогнозирование остаточного ресурса масел силовых трансформаторов на основе анализа качества жидкого диэлектрика // Надежность и безопасность энергетики. 2016. № 1 (32). С. 50-54. ББ№ У8САШ
3. Гильманов Р. Н. Оценка технического состояния силовых трансформаторов // Актуальные вопросы науки и практики и перспективы их решений. Анапа, 07 января 2023 года. 2023. С. 46-51. ББК ТХЯВАБ.
4. Дагаева М. В., Катасёва Д. В., Катасёв А. С., Кирпичников А. П. Нечеткая экспертная система диагностики маслонаполненных силовых трансформаторов // Вестник Технологического университета. 2018. Т. 21. № 2. С. 148-154. ББ№ УТ8БШ
5. Сафонов Г. П., Гринь Е. Л., Сорокин А. М. [и др.]. Диагностика состояния систем электрической изоляции // Электротехника. 2007. № 3. С. 56-61. ББК КУМИВЯ.
68
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
6. Дорожко С. В. Диагностика однофазного силового трансформатора в рабочем режиме // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2015. № 1. С. 49-50. DOI: 10.17213/0136-3360-2015-1-49-52 EDN: TJWGUN
7. Жуков Я. И., Мясоедова М. А., Юшков А. В. Методы диагностики силовых трансформаторов // Современные проблемы и направления развития агроинженерии в России. 2023. С. 45-47. EDN TWPUOZ.
8. Керимкулов Н. Н., Левин В. М. Идентификация параметров бездефектного состояния маслонаполнен-ных трансформаторов // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2016. № 4 (65). С. 194-206. DOI: 10.17212/1814-1196-2016-4-194-206 EDN: XSBJGH
9. Летин, К. А., Сизов В. В., Чекан Г. В. Основные проблемы надёжности силовых трансформаторов // Надежность и долговечность машин и механизмов. 2023. С. 112-115. EDN QFKLSN.
10. Макашева С. И., Пинчуков П. С. Мониторинг состояния масляной изоляции тяговых трансформаторов на основе анализа растворенных газов // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. 2021. № 2 (27). С. 57-62. EDN: RCNSDT
11. Кангожин Б. Р., Жармагамбетова М. С., Даутов С. С., Сериккалиев Ж. С. Метод контроля высоковольтной бумажно-масляной изоляции // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева. 2020. № 1 (112). С. 248-255. EDN XTDNMY.
12. Мельников И. В., Нечитайлов В. В., Бекетов В. Г. [и др.]. Методы определения внутренних повреждений силовых трансформаторов // Глобальная ядерная безопасность. 2024. № 1 (50). С. 43-51. DOI 10.26583/gns-2024-01-06. EDN ICZIKJ.
13. Молодова К. К., Мухаметжанов Р. Н. Методы технической диагностики силовых трансформаторов // Диспетчеризация и управление в электроэнергетике. 2024. С. 126-128. EDN USSTCX.
14. Мельникова О. С. Диагностика главной изоляции силовых маслонаполненных электроэнергетических трансформаторов по статистическому критерию электрической прочности масла: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иваново, 2015. 22 с. EDN ZPRGDN.
15. Назарычев А. Н., Мельникова О. С., Сулыненков И. Н. Диагностика главной изоляции силовых трансформаторов по статистическому критерию электрической прочности масла // Электричество. 2022. № 9. С. 22-32. DOI 10.24160/0013-5380-2022-9-22-32. EDN UPWENG.
16. Ибрагимов А. А., Момунали Уулу С., Маматов Н. М., Дьячков Ю. А. Определение технического состояния эксплуатируемых трансформаторов // Вестник науки и образования. 2023. № 3 (134). С. 24-30. EDN YCODVO.
17. Серебряков А. С., Осокин В. Л., Семенов Д. А. Патент на ПМ № 119125 РФ. Устройство для контроля качества электрической изоляции. Опубл. 24.08.2020, Бюл. № 24.
18. Серебряков А. С., Семенов Д. А. Патент на изобретение № 2516613 РФ. Способ оценки оставшегося срока службы высоковольтной изоляции // Опубл. 20.05.2014, Бюл. № 14.
19. Шонин Ю. П. Оценка технологического состояния силовых масляных трансформаторов // Библиотечка электротехника. 2019. № 12 (252). С. 3-90. EDN: DZLYOX
20. Irungu G. K., Akumu A. O., Munda J. L. Transformer condition assessment using dissolved gas analysis, oil testing and evidential reasoning approach // 2015 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Jun. 07-10, 2015. Seattle, WA, USA: IEEE, 2015. P. 145-149. DOI: 10.1109/ICACACT.2014.7223490.
Дата поступления статьи в редакцию 11.09.2024; одобрена после рецензирования 16.10.2024;
принята к публикации 17.10.2024.
Информация об авторах:
Д. А. Семенов - к.т.н., доцент кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», Spin-код: 2154-8646;
Н. Н. Кучин - д.т.н., профессор, Spin-код: 7394-2263;
Н. А. Полянская - к.э.н., доцент кафедры «Информационные системы и технологии», Spin-код: 1622-5580.
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
electrical technologies, electrical equipment
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
Заявленный вклад авторов:
Семенов Д. А. - сбор и обработка материалов, проведение экспериментов, анализ полученных результатов, анализ научной литературы по проблеме исследования.
Кучин Н. Н. - научное руководство, формулирование основной концепции исследования.
Полянская Н. А. - систематизация исследовательских данных, написание окончательного варианта текста.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Mikheev G. M., Dmitriev A. A., Kalandarov Kh. U., Fedorov O. V. Analiz sushchestvuyushchikh podkhod-ov i metodov diagnostirovaniya regulatorov napryazheniya pod nagruzkoy silovykh transformatorov [Analysis of existing approaches and methods for diagnosing load tap changers of power transformers], Vestnik Chuvashskogo uni-versiteta [Bulletin of the Chuvash University], 2022, No. 3. pp. 61-72, DOI 10.47026/1810-1909-2022-3-61-72, EDN TGLRFX.
2. Vysogorets S. P. Prognozirovanie ostatochnoqo resursa masel silovykh transformatorov na osnove analiza kachestva zhidkogo dielektrika [Forecasting the residual life of power transformer oils based on the quality analysis of liquid dielectric], Nadezhnost' i bezopasnost' energetiki [Reliability and safety of power engineering], 2016, No. 1 (32), pp. 50-54, EDN VSCAUD.
3. Gil'manov R. N. Ocenka tekhnicheskogo sostoyaniya silovykh transformatorov [Assessment of the technical condition of power transformers], Aktual'nye voprosy nauki i praktiki i perspektivy ikh reshenij [Relevant issues of science and practice and their solution prospects], 2023, pp. 46-51, EDN TXRBAE.
4. Dagaeva M. V., Kataseva D. V., Katasev A. S., Kirpichnikov A. P. Nechetkaya ekspertna sistema diagnostiki maslonapolnennykh silovykh transformatorov [Fuzzy expert system for diagnosing oil-filled power transformers], Vestnik Tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Technological University], 2018, Vol. 21, No. 2, pp. 148-154, EDN YTSEUU.
5. Safonov G. P., Grin' E. L., Sorokin A. M. et al. Diagnostika sostoyaniya sistem elektricheskoj izolyacii [Diagnostics of the condition of electrical insulation systems], Elektrotekhnika [Electrical engineering], 2007, No. 3, pp. 56-61, EDN KYMUBR.
6. Dorozhko S. V. Diagnostika odnofaznogo silovogo transformatora v rabochem rezhime [Diagnostics of a single-phase power transformer in operation mode], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenij. Elektromekhanika [Proceedings of higher educational institutions. Electromechanics], 2015, No. 1, pp. 49-50, DOI 10.17213/0136-33602015-1-49-52, EDN TJWGUN.
7. Zhukov Ya. I., Myasoedova M. A., Yushkov A. V. Metody diagnostiki silovykh transformatorov [Methods for diagnosing power transformers], Sovremennye problemy i napravleniya razvitiya agroinzhenerii v Rossii [Modern problems and directions of agroengineering development in Russia], 2023, pp. 45-47, EDN TWPUOZ.
8. Kerimkulov N. N., Levin V. M. Identifikaciya parametrov bezdefektnogo sostoyaniya maslonapolnennykh transformatorov [Identification of defect-free state parameters of oil-filled transformers], Nauchnyj vestnik Novosibir-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Scientific Bulletin of Novosibirsk State Technical University], 2016, No. 4 (65), pp. 194-206, DOI 10.17212/1814-1196-2016-4-194-206, EDN XSBJGH.
9. Letin K. A., Sizov V. V., Chekan G. V. Osnovnye problemy nadyozhnosti silovykh transformatorov [Key reliability issues of power transformers], Nadezhnost' i dolgovechnost' mashin i mekhanizmov [Reliability and durability of machines and mechanisms], 2023, pp. 112-115, EDN QFKLSN.
10. Makasheva S. I., Pinchukov P. S. Monitoring sostoyaniya maslyanoj izolyacii tyagovykh transformatorov na osnove analiza rastvorennykh gazov [Monitoring the state of oil insulation of traction transformers based on dissolved gas analysis], Transport Aziatsko-Tikhookeanskogo regiona [Transport of the Asia-Pacific region], 2021, No. 2 (27), pp. 57-62, EDN RCNSDT.
11. Kangozhin B. R., Zharmagambetova M. S., Dautov S. S., Serikkaliev Zh. S. Metod kontrolya vysokovol'tnoj bumazhno-maslyanoj izolyacii [Method for monitoring high-voltage paper-oil insulation], Vestnik Ka-zahskoj akademii transporta i kommunikacij im. M. Tynyshpaeva [Bulletin of the Kazakh Academy of Transport and Communications named after M. Tynyshpayev], 2020, No. 1 (112), pp. 248-255, EDN XTDNMY.
70
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
12. Mel'nikov I. V., Nechitailov V. V., Beketov V. G. et al. Metody opredeleniya vnutrennikh povrezhdenij si-lovykh transformatorov [Methods for identifying internal damages in power transformers], Global'naya yadernaya bezopasnost' [Global Nuclear Safety], 2024, No. 1 (50), pp. 43-51, DOI 10.26583/gns-2024-01-06, EDN ICZIKJ.
13. Molodova K. K., Mukhametjanov R. N. Metody tekhnicheskoj diagnostiki silovykh transformatorov [Technical diagnostic methods for power transformers], Dispecherizaciya i upravlenie v elektroenergetike [Dispatching and Control in Power Engineering], 2024, pp. 126-128, EDN USSTCX.
14. Mel'nikova O. S. Diagnostika glavnoj izolyacii silovyh maslonapolnennyh elektroenergeticheskih transformatorov po statisticheskomu kriteriyu elektricheskoj prochnosti masla [Diagnostics of the main insulation of power oil-filled electric power transformers according to the statistical criterion of the electrical strength of the oil. Ph. D. (Engineering) thesis], Ivanovo, 2015, 22 p. EDN ZPRGDN.
15. Nazarychev A. N., Mel'nikova O. S., Sulynenkov I. N. Diagnostika glavnoj izolyacii silovykh transformatorov po statisticheskomu kriteriyu elektricheskoj prochnosti masla [Diagnostics of the main insulation of power transformers based on the statistical criterion of oil electrical strength], Elektrichestvo [Electricity], 2022, No. 9, pp. 22-32, DOI 10.24160/0013-5380-2022-9-22-32, EDN UPWENG.
16. Ibragimov A. A., Momunali Uulu S., Mamatov N. M., Dyachkov Yu. A. Opredelenie tekhnicheskogo sos-toyaniya ekspluatiruemykh transformatorov [Determination of the technical condition of operating transformers], Vestnik nauki i obrazovaniya [Bulletin of Science and Education], 2023, No. 3 (134), pp. 24-30, EDN YCODVO.
17. Serebryakov A. S., Osokin V. L., Semenov D. A. Patent na PM No. 119125 RF. Ustroystvo dlya kontrolya kachestva elektricheskoj izolyacii [Device for monitoring the quality of electrical insulation], Published August 24, 2020, Bull. No. 24.
18. Serebryakov A. S., Semenov D. A. Patent na izobretenie No. 2516613 RF. Sposob ocenki ostavshegosya sroka sluzhby vysokovol'tnoj izolyacii [Method for assessing the remaining service life of high-voltage insulation], Published May 20, 2014, Bull. No. 14.
19. Shonin Yu. P. Ocenka tekhnologicheskogo sostoyaniya silovykh maslyanykh transformatorov [Assessment of the technological condition of power oil transformers], Bibliotechka elektrotekhnika [Electrical Engineering Library], 2019, No. 12 (252), pp. 3-90, EDN DZLYOX.
20. Irungu G. K., Akumu A. O., Munda J. L. Transformer condition assessment using dissolved gas analysis, oil testing and evidential reasoning approach, 2015 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Jun. 07-10, 2015, Seattle, WA, USA: IEEE, 2015, pp. 145-149, DOI 10.1109/ICACACT.2014.7223490.
The article was submitted 11.09.2024; approved after reviewing 16.10.2024; accepted for publication 17.10.2024.
Information about the authors: D. A. Semenov - Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Department of Infocommunication Technologies and Communication Systems, Spin-code: 2154-8646; N. N. Kuchin - D. Sc. (Engineering), Professor, Spin-code: 7394-2263;
N. A. Polyanskaya - Ph. D. (Economy), Associate Professor of the Department of Information Systems and Technologies, Spin-code: 1622-5580.
The claimed contribution of the authors: Semenov D. A. - collection and processing of materials, conducting experiments, analysis of the obtained results, analysis of scientific literature on the research problem.
Kuchin N. N. - scientific supervision, formulation of the main concept of the research. Polyanskaya N. A. - systematization of research data, writing the final version of the text.
The authors declare that there is no conflict of interest.
