CC BY
141
УДК 621.323
ПРИМЕНЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИХ РАБОТЫ
С.В. Ершов, А.М. Дмитриев
Рассмотрены вопросы применения диагностических комплексов систем электроснабжения, характеристики, структура и их влияние на показатели систем электроснабжения.
Ключевые слова: электроснабжение, диагностические комплексы, надежность электроснабжения.
Диагностика - область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.
Диагностирование - определение технического состояния объекта.
Мониторинг - контроль объекта с заданной степенью регулярности.
Техническая диагностики - отрасль научно-технических знаний, сущность которой составляют теории, методы и средства обнаружения и поиска дефектов в объектах технической природы. Под дефектами следует понимать любое несоответствие свойств объекта заданным (требуемым или ожидаемым) свойствам. Установление каким-либо способом факта несоответствия называют обнаружением дефекта.
Основное назначение технической диагностики состоит в повышении эксплуатационной надежности объектов, а также в предотвращении брака при изготовлении, как самого объекта, так и составляющих его частей. Повышение надежности обеспечивается улучшением таких показателей, как коэффициент готовности, коэффициент технического использования, время восстановления работоспособного состояния, а также ресурс (срок службы) и наработка до отказа или наработка на отказ для резервированных объектов с восстановлением.
Если в текущий момент реальною времени использования объекта по назначению его параметры (признаки) находятся в требуемых пределах, то такой объект является правильно функционирующим.
Техническое состояние неправильно функционирующею, неисправного или неработоспособного объекта может быть детализировано путем обнаружения конкретных дефектов, нарушающих исправность, работоспособность или правильность функционирования, причем дефекты эти могут относиться как к объекту в целом, так и к его составным частям.
Обнаружение и поиск дефектов являются процессами определения технического состояния объекта и объединяются общим термином "диагностирование". По результатам диагностирования ставится диагноз. Задачами диагностирования являются проверка исправности, работоспособно-
53
сти и правильности функционирования объекта, а также поиск дефектов, нарушающих ни показатели. Строгая постановка таких задач предполагает, во-первых, прямое или косвенное задание класса возможных дефектов и, во-вторых, наличие формализованных методов построения алгоритмов диагностирования, реализация которых обеспечивает или обнаружение дефектов из заданного класса с требуемой полнотой, или поиск дефектов с требуемой глубиной.
Диагностирование технического состояния любого объекта осуществляется теми или иными средствами. Средства могут быть аппаратными или программными. Средства и объект диагностирования, взаимодействующие между собой, образуют систему диагностирования.
В системах тестового диагностирования на объект подаются специально организуемые тестовые воздействия. В системах функционального диагностирования, которые работают в процессе применения объекта по назначению, подача тестовых воздействий, как правило, исключается; на объект поступает только рабочее воздействие, предусмотренное его алгоритмом функционирования. В системах обоих видов средств диагностирования воспринимают и анализируют ответы объекта на входные (тестовые иди рабочие) воздействия и выдают результат диагностирования, т.е. ставят диагноз: объект исправен или неисправен, работоспособен или неработоспособен, функционирует правильно или неправильно, имеет какой-нибудь дефект или в объекте повреждена какая-то его составная часть и тому подобное.
Система диагностирования в процессе определения технического состояния объекта реализует некоторый алгоритм тестового или функционального диагностирования. Алгоритм диагностирования в общем случае состоит из определенной совокупности так называемых элементарных проверок и правил анализа их результатов. Результатом экспериментальной проверки являются конкретные значения ответных сигналов объекта в соответствующих контрольных точках. Окончательное заключение о техническом состоянии объекта (диагноз) делается в общем случае по совокупности полученных результатов экспериментальных проверок.
Недостаточная электродинамическая стойкость обмоток трансформатора при протекании токов короткого замыкания, приводящая к механическим деформациям обмоток, является одной из основных причин аварийного выхода трансформатора из строя. Эта проблема усугубляется значительным увеличением доли изношенного электрооборудования, нормируемый срок службы которого уже истек или приближается к этому.
В настоящее время в России для диагностики механического состояния моток силовых трансформаторов в основном применяются два метода: метод измерения сопротивления короткого замыкания и более чувствительный метод - метод низковольтных импульсов (НВИ). За рубежом широкое распространение получил метод частотного анализа (МЧА). Дос-
тоинством МЧА является хорошая воспроизводимость измерений, обусловленная меньшей чувствительностью к некоторым изменениям параметров генератора сигналов, влиянию кабелей, соединителей и тому подобное.
Известны два подхода при диагностике обмоток трансформатора методом частотного анализа. Суть первого подхода заключается в том, что от свип-генератора на ввод обмотки подается синусоидальный сигнал с изменяющейся частотой от десятков герц до нескольких мегагерц, а с измерительных шунтов, подключенных к этой или другим обмоткам, осцил-лографируются их реакции на воздействие этого сигнала - амплитудночастотные характеристики Л(Б), то есть спектры частот.
При другом подходе на ввод обмотки подается стандартный импульс определенной длительности, а сигнал с измерительных шунтов подается на вход спектроанализатора. Поскольку этот подход требует дорогостоящего оборудования и связан с более сложной и длительной процедурой диагностики, при разработке новой методики диагностики в ВЭИ за основу был выбран первый подход, в результате чего была разработана и изготовлена диагностическая установка "Импульс-8С".
Программное обеспечение, разработанное для ’^пёо,№8 и содержит 3 функциональных блока:
1) Блок управления съемом обеспечивает формирование базы данных, тестирование измерительной схемы, управление съемом (установку параметров измерений, выбор каналов измерений, переключение каналов).
2) Блок предварительной обработки и визуализации результатов измерений обеспечивает фильтрацию от помех, статистическую обработку сигналов, запись сигналов в базу данных, вывод результатов измерений -амплитудно-частотных характеристик объекта на экран монитора.
3) Блок анализа результатов диагностики обеспечивает сравнение осциллограмм текущих измерений (дефектограмм) с осциллограммами предшествующих измерений по ряду критериев.
Рис. 1. Диагностическая установка "Импульс-8С" для дефектографирования обмоток трансформаторов методом
частотного анализа
Основными критериями оценки механического состояния обмоток трансформатора методом МЧА были приняты следующие:
1) коэффициент парной корреляции (Кр )
- характеризует степень отклонения связи от линейной между двумя массивами данных, описывающих два процесса, например, нормограмму и дефектограмму. Так, если две осциллограммы полностью совпадают; то Кр=1; чем больше отличие между двумя спектрами, тем меньше Кр;
2) разность осциллограмм (V, %)
-характеризует разность между нормограммой и дефектограммой во всем диапазоне их изменения во времени, выраженную в процентах (отнесенную к нормограмме) или в вольтах;
3) парная корреляционная функция Кр (1)
- показывает, в каком именно диапазоне частот появились значительные изменения;
4) весовой коэффициент К (в)
- интегральный параметр, показывающий степень различия нормо-граммы от дефектограммы;
5) сдвиг частот (1)
- характеризует величину смещения пиков основных частот (гармоник) нормограммы и дефектограммы.
Процедура диагностики производится следующим образом: После запуска программы и выбора из предложенного меню команды "Старт" плата блока управления формирует сигнал на запуск генератора качающейся частоты и аналого-цифрового преобразователя. С выхода генератора сигнал с начальной частотой Бо проходит по измерительному кабелю, согласующий блок, установленный на крышке бака трансформатора, соединитель, подключенный к вводу трансформатора с помощью зажима “крокодил”, и поступает на трансформатор (в зависимости от выбранной схемы дефектографирования - или на ввод нейтрале, или на закоротку обмоток одного напряжения). Параллельно основному выходу с контрольного выхода усилителя мощности генератора сигнал поступает на вход платы БУК и далее на АЦП - для контроля.
Реакции обмоток (отклики) на воздействие синусоидального сигнала с вводов трех фаз через соединители, согласующий блок и измерительный кабель поступают на вход БУК. Блок коммутации каналов последовательно подключает к АЦП 1-й, 2-й и 3-й каналы от трансформатора и 4-й -контрольный сигнал от генератора. АЦП по очереди записывает эти сигналы (осциллограммы) сначала в свой буфер, а затем передает их в ПК для последующей обработки и анализа. Далее частота генератора увеличивается на величину А Б и процесс повторяется до тех пор, пока частота синусоидального сигнала не достигнет конечного значения Бк. Результатом измерений в пределах одного цикла являются спектральные характеристики диагностируемых обмоток трех фаз трансформатора, которые записывают-
ся в базу данных.
Рис. 2. Алгоритм оценки механического состояния обмоток
по результатам обмеров
Рис. 3. Принципиальная схема диагностики обмоток методом
частотного анализа
57
Результаты измерений подтвердили высокую чувствительность метода частотного анализа к обнаружению механических и электрических повреждений обмоток. Однако для практического применения разработанной методики необходимо иметь критерии оценки состояния обмоток по результатам диагностики. В настоящее время эта задача успешно решается благодаря наличию объемной базы данных, содержащей результаты обмеров сотен трансформаторов, полученных на основе использования метода низковольтных импульсов. Целью является адаптация этих данных для метода частотного анализа.
Вибрационное обследование и диагностика состояния силовых трансформаторов. Вибрационное обследование силовых маслонаполненных трансформаторов является достаточно эффективным способом оценки некоторых аспектов их технического состояния. В процессе вибрационного обследования производится, в основном, определение качества взаимного крепления внутренних и внешних элементов трансформатора, определяется целостность конструкции, диагностируется состояние механизмов системы охлаждения.
Достоинством вибрационных методов диагностики технического состояния силовых трансформатора является возможность проведения с их помощью «виброналадки» узлов и элементов трансформаторов. Под этим термином понимается возможность улучшения некоторых вибрационных параметров работы трансформатора.
Важным достоинством применения вибрационных диагностических методов является возможность проведения технической оценки качества прессовки обмоток и магнитопровода трансформатора.
Вибрационное обследование силовых маслонаполненных трансформаторов должно проводится с использованием современных виброиз-мерительных приборов - переносных малогабаритных виброметров и виброанализаторов.
Виброметры, самые простые виброизмерительные приборы, предназначены для измерения интегральных параметров вибрации, таких как, например, СКЗ (среднеквадратичное значение) виброскорости или размах виброперемещения (двойная амплитуда вибрации).
Виброанализаторы не только измеряют интегральные параметры вибрации, но и позволяют разлагать контролируемый вибрационный сигнал на отдельные гармонические составляющие, хранить эти параметры во встроенной памяти прибора.
Приборы виброконтроля выпускают многие фирмы в России и за рубежом, выбор этих приборов достаточно велик.
Определение параметров прессовки обмоток и магнитопровода по вибрации на поверхности бака трансформатора.
Количественные значения остаточной прессовки обмоток и магни-топровода являются важными эксплуатационными параметрами. Наи-
большее значение, при оценке технического состояния силового трансформатора, следует уделять качеству прессовки обмоток. Этот параметр определяет динамическую механическую устойчивость обмотки, особенно в переходных режимах, например, при протекании через трансформатор токов короткого замыкания (от нагрузки). Ослабление прессовки обмотки может привести к необратимому взаимному смещению отдельных витков и даже слоев обмотки. Итогом таких изменений может явиться снижение изоляционной прочности и выход трансформатора из строя.
Определение качества прессовки обмоток и магнитопровода может быть выполнено на основании анализа спектрального состава вибрационных сигналов на поверхности бака трансформатора работающего трансформатора. Полностью этот метод реализован в экспертной системе «Веста». В методе отработаны точки проведения измерений, определены уставки виброизмерительной аппаратуры, режимы контроля.
Метод базируется на измерении вибрации в 12 точках на поверхности бака трансформатора. Измерения вибрации проводятся в двух режимах холостого хода и нагрузки. Все вибрации в режиме холостого хода вызываются магнитострикцией в магнитопроводе. Вибрации в обмотках существенно ниже, так как ток в режиме холостого хода трансформатора мал. В режиме нагрузки вибрации вызываются сердечником и обмотками, ток в которых уже весьма значителен.
Анализ вибрационных сигналов производится на основании сравнения спектров. Основной частотой в трансформаторах является 100 Гц. Именно на этой частоте, равной удвоенной частоте питающей сети, действуют силы магнитострикции в сердечнике и электродинамические усилия в обмотках.
Состояние прессовки магнитопровода определяются по вибрациям в режиме холостого хода. Совместный анализ вибрации в режимах холостого хода и нагрузки позволяет разделить вибрационные процессы в различных элементах трансформатора.
Для удобства проведения диагностики трансформаторов, у которых трудно организовать измерение в двух режимах, в системе «Веста» предусмотрена диагностика по одному режиму. Магнитопровод наиболее точно диагностируется по режиму холостого хода, а обмотка по режиму нагрузки. Соответственно, по режиму, близкому к холостому ходу прессовка обмоток диагностируется с большой погрешностью, а в режиме нагрузки трудно диагностировать прессовку магнитопровода. Это является следствием проведения диагностики качества прессовки по одному режиму работы трансформатора.
Уточнение диагноза «распрессовка обмотки» проведением измерений вибрации при изменении температуры трансформатора
Основный «активные» материалы силового трансформатора, медь обмоток и сталь магнитопровода имеют различный температурный коэф-
фициент линейного расширения. Обмотка, с ростом рабочей температуры, увеличивает свои линейные размеры более значительно, чем магнитопро-вод трансформатора При этом усилие прессовки обмотки возрастает, так как обмотка «распирается» в своих элементах крепления, смонтированных на магнитопроводе. При снижении рабочей температуры обмотка «уменьшается» в своих размерах быстрее, чем магнитопровод, поэтому усилие прессовки обмотки уменьшается. Расчетное значение этого эффекта составляет единицы миллиметров.
Знание этой особенности внутренних процессов в трансформаторе, связанной с изменением рабочей температуры, позволяет проводить дополнительные исследования, которые могут существенно уточнить диагноз «распрессовка обмотки», получаемый при помощи экспертной системы «Веста».
Очень упрощенно, не вникая в суть физических процессов и в особенности конструкции реальных типов трансформаторов, можно считать, что увеличение рабочей температуры трансформатора (охлаждающего масла) на один градус приводит к увеличению усилия прессовки обмотки на один процент (от номинального значения). Такое количественное соотношение произвольно выбрано для удобства проведения расчетов, хотя и достаточно хорошо согласуется с реальными практически данными.
Такой подход к физическим процессам в трансформаторе предполагает следующий план проведения экспериментальных работ, имеющих своей целью более корректное выявление распрессовки обмоток силового маслонаполненного трансформатора.
На трансформаторе проводятся измерения вибрации по методике, предусмотренной в экспертной системе «Веста». Они включают в себя измерения в режимах холостого хода и нагрузки. Эти измерения делаются за такой период времени, когда температура трансформатора (охлаждающего масла), примерно одинакова, т.е. достаточно быстро. Желательно, чтобы температура трансформатора была не очень большой.
Под этим термином понимается нижний уровень рабочей темпера-турытрансформатора, больше соответствующей небольшой нагрузке или, идеально, холостому ходу.
Если в заключении системы «Веста» будет информация, что имеет место распрессовка обмоток среднего или сильного уровня, то необходимо планировать проведение следующего этапа работ. Трансформатор разогревается до максимально допустимой температуры, например, за счет отключения системы охлаждения. В режиме повышенной температуры трансформатор должен быть выдержан не менее двух - трех часов, в течение которых должно произойти выравнивание температурных полей в обмотках и магнитопроводе. Далее производится измерение вибраций на поверхности бака в режиме нагрузки примерно равной нагрузке при первом измерении вибрации, при меньшей температуре.
Если сравнить два диагноза, получаемых при помощи системы «Веста» по одному замеру (нагрузки) при двух различных температурах охлаждающего масла, но одинаковой нагрузке трансформатора, то можно существенно уточнить диагноз «распрессовка обмотки».
Если с ростом рабочей температуры трансформатора расчетный коэффициент, характеризующий усилие прессовки обмотки, будет возрастать, то это будет говорить о подтверждении предварительного диагноза «распрессовка обмотки». Условно можно говорить, что коэффициент качества прессовки обмоток, которым оперирует экспертная система «Веста» в своих отчетах, должен увеличиваться на 0,01 при увеличении рабочей температуры трансформатора (охлаждающего масла) на каждые пять градусов.
Если такая связь температуры и качества прессовки обмоток будет экспериментально выявлена, то диагностическое включение «распрессовка обмотки» можно считать дополнительно подтвержденным испытаниями, выполненными при различных рабочих температурах трансформатора.
Если такой связи между рабочей температурой трансформатора и коэффициентом качества прессовки обмоток не будет выявлено, то, вероятнее всего, диагноз был поставлен экспертной системой не совсем корректно. На получаемое программой заключение повлияли особенности внутренней конструкции контролируемого трансформатора или иные факторы, не учтенные в программе. О недостоверности диагноза, в особенности, следует говорить тогда, когда по итогам диагностики с ростом температуры будет выявляться уменьшение степени прессовки обмоток трансформатора.
Список литературы
1. Бузаев В.В., Львов Ю.Н., Смоленская Н.Ю., Сапожников Ю.М. газохроматографический анализ трансформаторного масла на содержание в нем ионола. Электрические станции, 1996, № 1. С. 51.
2. РД 34.46.302-89. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов. М., Союзтехэнерго, 1989.
3. РД 34.43.206-94. Методика количественного химического анализа, определение содержания производных фурана в электроизоляционных маслах методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. М.: ОРГРЭС, 1995.
4. «Методика контроля состояния твердой изоляции высоковольтного оборудования на основе анализа фурановых производных» 1281.00.00.000Д - М., СКТБ ВКТ филиал АО Мосэнерго, 1999.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, проф., доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Дмитриев Антон Михайлович, магистр, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPLICA TION OF DIAGNOSTIC COMPLEXES OF POWER SUPPLY SYSTEMS TO
IMPROVE THEIR PERFORMANCE
S. V. Ershov, A.M. Michailov
Considers the application of diagnostic systems of electro-supply, characteristics, structure and their impact on the performance of the systems of electrical supply.
Key words: power supply, diagnostic systems, reliability of power supply.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, erschov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Dmitriev Anton Michailovich, magister, eists@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 62-83
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С.В. Ершов, Б. А. Жабин
Рассмотрены вопросы возникновения провалов напряжения и их влияния на показатели систем электроснабжения.
Ключевые слова: электроснабжение, провалы напряжения, надежность электроснабжения.
Одним из наиболее важных вопросов в электроснабжении является обеспечение требуемых показателей качества электроэнергии для потребителей, что регулируется ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». Весьма важным показателем для промышленности в целом являются провалы напряжения. Согласно ГОСТу, провал напряжения - это внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9ином, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков се-
