Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математические модели накопления повреждений 15
1.1. Классификация основных видов дефектов и повреждений трансформаторного и реакторного электрооборудования 15
1.2. Формальное описание износа и накопления повреждений ТРЭО 46
1.3. Линейное суммирование повреждений 56
1.4. Учет нелинейности процесса накопления повреждений 62
1.5. Законы нелинейного суммирования повреждений 67
1.6. Многостадийная модель процессов накопления повреждений 69
1.7. Статистический разброс характеристик и свойств ТРЭО и его влияние на процесс накопления повреждений 73
1.8. Влияние разброса физических свойств на результаты испытаний 77
1.9. Статистическое моделирование накопления повреждений ТРЭО 83
1.10. Построение обобщенных моделей накопления повреждений 87
1.11. Статистический анализ ЭМС при воздействиях перенапряжений на электроустановки ТРЭО 93
1.12. Построение приближенных моделей по данным компьютерных исследований ресурсов 109
1.13. Выводы по первой главе 119
Глава 2. Математические модели повреждений электроустановок ТРЭО на основе теории электромагнитной совместимости 121
2.1. Основные определения и положения анализа ЭМС 121
2.2. Техническое состояние ТРЭО и его диагностические признаки 124
2.3. Предельные состояния — граничные условия ЭМС 132
2.4. Определение и классификация нарушений ЭМС 138
2.5. Характеристики и показатели ЭМС 142
2.6. Статистические описания потоков эксплуатационных нарушений ЭМС 145
2.7. Задачи анализа работоспособности и обеспечения ЭМС 150
2.8. Постановка задач теории ЭМС для электроустановок ТРЭО 153
2.9. Анализ ЭМС с помощью метода условных функций 166
2.10. Математическое моделирование нарушений ЭМС для электроустановок ТРЭО 169
2.11. Учет эффекта кумулятивности при моделировании накопления повреждений ЭУ ТРЭО 172
2.12. Основные положения использования статистических Марковских моделей для анализа ЭМС электроустановок ТРЭО 175
2.13. Модели пуассоновского типа 187
2.14. Вычисление математических ожиданий числа НЭМС высоконадежных систем ТРЭО 189
2.15. Применение теории ЭМС к расчету электроустановок ТРЭО и их элементов 192
2.16. Математические вероятностные модели, используемые при анализе НЭМС для ЭУ ТРЭО в процессе эксплуатации 199
2.17. Математическое описание параметрических НЭМС элементов ЭУ ТРЭО при различных законах их распределения 209
2.18. Выводы по второй главе 215
Глава 3. Математическое моделирование ресурсов ЭУ ТРЭО 216
3.1. Технологические и методологические основы определения ресурсов 216
3.2. Принципы математического моделирования ресурсов ТРЭО 225
3.3. Приближенная асимптотическая оценка ресурсов ЭУ ТРЭО 233
3.4. Асимптотические формулы для обобщенного закона накопления повреждений 236
3.5. Стационарный эргодический процесс ЭФВ 238
3.6. Приближенный аналитический метод определения показателей долговечности электроустановок ТРЭО 241
3.7. Прогнозирование характеристического ресурса для электроустановок ТРЭО 244
3.8. Математические представления для вычисления характеристического ресурса электроустановок ТРЭО 246
3.9. Учет разброса свойств электроустановок ТРЭО и условий их работы 251
3.10. Основные положения определения ресурсов многокомпонентных электроустановок ТРЭО 254
3.11. Выводы по третьей главе 257
Глава 4. Методы диагностики и повреждаемость высоковольтного маслонаполненного ТРЭО 258
4.1 Основные причины внутренних повреждений обмоток силовых трансформаторов и реакторов напряжением 11СИ-500 кВ в процессе эксплуатации 258
4.2. Методы низковольтных импульсов и частотного анализа для контроля механического состояния обмоток силовых трансформаторов 273
4.3. Диагностика геометрии обмоток силовых трансформаторов низковольтными импульсами (НВИ) и по измерениям сопротивления КЗ (ZK) после коротких замыканий 283
4.4. Инфракрасная диагностика теплового состояния высоковольтного маслонаполненного оборудования 302.
4.5. Выводы по четвертой главе 305
Глава 5. Некоторые вопросы электродинамических испытаний силовых трансформаторов на стойкость токам КЗ 307
5.1. Общие вопросы электродинамической стойкости силовых трансформаторов 307
5.2. Электродинамические испытания ТРЭО, их техническая база и обеспечение 311
5.3. Конкретные примеры испытаний силовых трансформаторов мощностью 25 МВА, 250 МВА и 666 МВА на стойкость токам КЗ на испытательном стенде 315
5.4. Современное состояние, оценка возможностей и перспектив проведения электродинамических испытаний ТРЭО 327
5.5. Мониторинг механического состояния обмоток трансформатора 400 MBA/220 КВ в ходе испытаний на стойкость токам КЗ 340
5.6. Электродинамические испытания реакторов на надежность и стойкость к токам КЗ 350
5.7. Вьпзоды по пятой главе 369
Глава 6. Диагностика и повреждаемость измерительных трансформаторов тока и напряжения 375
6.1. Инфракрасная диагностика измерительных трансформаторов тока... 375
6.2. Инфракрасная диагностика оборудования и ее экономическая эффективность 379
6.3. Повреждение трансформаторов тока типа ТФКН-330 кВ (ТФУМ)... 386
6.4. Повреждение трансформаторов тока типа ТФРМ-330 (ТРН-330 кВ) 389
6.5. Повреждение трансформатора напряжения типа НКФ-110 кВ 394
6.6. Технологическое нарушение, связанное с повреждением трансформатора тока типа ТФНД-220 397
6.7. Выводы по шестой главе 398
Заключение 401
Литература 407
- Формальное описание износа и накопления повреждений ТРЭО
- Предельные состояния — граничные условия ЭМС
- Принципы математического моделирования ресурсов ТРЭО
- Методы низковольтных импульсов и частотного анализа для контроля механического состояния обмоток силовых трансформаторов
Введение к работе
В настоящее время в электроэнергетике и электротехнике большое внимание уделяется согласованию условий нормальной безаварийной и эффективной работы электроустановок (ЭУ) электротехнических комплексов и систем (ЭКС), производящих, передающих, преобразующих и потребляющих электроэнергию при её надлежащем качестве. В процессе работы ЭУ подвергаются многочисленным внешним и внутренним электромагнитным и другим эксплуатационным физическим воздействиям (ЭФВ), а также сами непосредственным образом воздействуют на окружающие объекты и среду. Такими ЭУ и являются силовые и измерительные трансформаторы и реакторы, которые часто объединяют общим названием трансформаторно-реакторное электрооборудование (ТРЭО).
Надежность трансформаторного и реакторного электрооборудования (ТРЭО) электротехнических комплексов и систем (ЭТКС) во многом определяется обеспечением технической диагностики их состояния при внешних и внутренних воздействиях и оценки технического состояния (ОТС) электрооборудования.
Наличие в эксплуатации как старого в значительной мере выработавшего свой ресурс, так и нового оборудования, изготовленного с применением современных технологий и материалов, приводит к снижению эффективности традиционных методов обеспечения нормальной работы электрооборудования.
Проблема заключается в том, что отсутствует полное представление о характере состязательных процессов между, с одной стороны, эмиссией мощных электромагнитных помех (ЭМП) в основном в виде токов рабочих режимов, режимов коротких замыканий и перенапряжений, воздействующих на изоляцию ТРЭО электрических сетей в целом. С другой стороны, это - физические свойства внутреннего характера и внешнего происхождения, определяющие для конкретных электроустановок стойкость их конструкций и, прежде всего, изоляции по отношению к названным ЭМП и другим физическим процессам.
Качественного улучшения можно добиться только путем тщательных исследований, когда учитывается комплекс признаков и параметров, описывающих состояние ТРЭО и характер физических воздействий на изоляцию электроустановок, а также динамика изменения ее свойств по мере старения оборудования. Такой подход открывает возможность обоснованной и достоверной ОТС и улучшения эксплуатационных свойств ТРЭО. Анализ работы ТРЭО, и особенно тех электроустановок, которые, как уже говорилось выше, в процессе длительной эксплуатации выработали свой технологический ресурс, свидетельствует о том, что для них эксплутационные затраты на ремонт, испытания и профилактическое обслуживание превышают нормативы на 15 - 20% и имеют устойчивую тенденцию к увеличению.
Уровень износа электрооборудования в ЭТКС повсеместно во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства в стране значительно превышает установленный ( 60%), а сроки и объемы его технических обслуживании остаются неизменными. Это приводит к еще большему числу нарушений нормальной работы электрооборудования ЭТКС и к увеличению числа и интенсивности отказов в процессе его эксплуатации.
Для решения проблем обеспечения качественной и достоверной ОТС необходимо разработать для ТРЭО ее научные основы для широкого спектра конструкций электрооборудования ЭТКС, методов оценки и прогнозирования его технических ресурсов, а также стратегии, тактики и конкретных мероприятий по оптимизации эксплуатации, и, прежде всего, технической диагностики, что является важной частью программы ресурсосбережения РФ. Сказанное выше определяет актуальность диссертационной работы.
Вышеизложенное говорит о необходимости научного обоснования и реализации современного подхода к решению задач создания условий оптимальной эксплуатации ТРЭО современных электротехнических комплексов и систем на основе концепции диагностического моделирования (ДМ). Эта концепция, основана на применении идей кибернетического моделирования, предложенных В.А. Вениковым и его учениками, для построения специфических диагностических моделей названного оборудования. Она заключается в реализации следующих положений.
1. Для реальной электроустановки ТРЭО строится диагностическая модель (ДМ) в виде системы характеристик и параметров, обеспечивающих с необходимой полнотой информацию о техническом состоянии конкретной электроустановки (ЭУ). Они получили название диагностических признаков (ДП). Характерные особенности ДМ: это - кибернетическая информационная модель, реализованная по принципу «черного ящика»; с реальным объектом имеется только информационная связь; отсутствует непосредственная связь с физическими процессами, происходящими в ЭУ; ДМ строится и работает на ретроспективной и текущей информации, что позволяет при определенных допущениях производить прогнозирование, в частности, при решении задач о ресурсах ЭУ. 2. Определяется состав возможных эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ) на ЭУ, их энергетические, статистические и другие характеристики.
3. Определяются реакции (в виде изменения диагностических признаков) ЭУ на ЭФВ, получившие название текущих мер повреждений (МП), с возможно более полным учетом предыдущих ЭФВ. Иначе говоря, это можно назвать моделированием накопления повреждений с учетом кумулятивности. Важным моментом здесь является трудноразрешимая задача об определении текущей оценки МП, которая в современных условиях в подавляющем большинстве случаев может быть найдена только приближенно.
4. Поскольку ЭФВ может быть разрушающим, частично разрушающим или повреждающим в рамках диагностического моделирования далее необходимо применить диагностический подход к электромагнитной совместимости (ЭМС) электроустановок ТРЭО при конкретном потоке ЭФВ. Этот подход может быть реализован двумя способами: определением предельных состояний с точки зрения классических положений ЭМС при достижении МП значений, приводящих к нарушениям ЭМС (НЭМС); определением статистических характеристик НЭМС на некоторой конкретной по возможности однородной выборке ЭУ, находящихся в близких эксплуатационных условиях; выводом о дальнейшей судьбе электроустановки.
Названные положения являются основой для решения важнейшей технической задачи о нахождении паспортных, гарантированных и текущих ресурсов электроустановок ТРЭО. Технической и информационной базой этих положений и задач являются данные об аварийности, повреждаемости эксплуатируемых электроустановок ТРЭО, а также результаты контроля технического состояния, разнообразных электрических и, прежде всего электродинамических испытаний.
С этой точки зрения важнейшим принципом построения диагностических моделей электроустановок ТРЭО, как показано в работах российских и-зарубежных исследователей А.Н. Назарычева, В.А. Савельева, А.И. Таджибаева и др., является системное использование конечного множества мулътгтараметрических диагностических признаков.
Системный подход к формированию репрезентативного состава этих признаков требует проведения полномасштабных заводских и эксплуатационных испытаний электроустановок ТРЭО, тщательного анализа их повреждаемости, неукоснительного систематического изучения его технического состояния в рамках реализации современных стратегий технического обслуживания и ремонтов. Практическим применением системы ДП является обнаружение в электроустановках ТРЭО дефектов и повреждений. Необходимо отметить, что значительная часть из них трудно диагностируются традиционными методами. Поэтому необходимы новые подходы к анализу технического состояния электроустановок и методы диагностики, не нашедшие пока отражения в руководящем документе «Объем и нормы испытаний электрооборудования» (ОНИЭ) - РД 34.45-51.300-97.
В нашей стране он является нормативно-технической основой для контроля и диагностики состояния электрооборудования генерирующих и сетевых предприятий, электростанций и подстанций и действует наряду с другими директивными документами и стандартами. Несмотря на отдельные очевидные недостатки, ОНИЭ позволяет иметь достаточно близкую к объективной картину процессов, идущих внутри эксплуатируемого оборудования и приводящих в конечном итоге к возникновению дефектов и повреждений.
Решение о выводе в ремонт и замене конкретной ЭУ является ответственной и сложной задачей, что может привести в ряде случаев к принятию ошибочных экспертных заключений в оценке его состоянии, что, в свою очередь, ведет к неоправданным финансовым потерям и издержкам, к снижению надежности схемы электроснабжения потребителей.
В качестве инструмента проверки надежности электроустановок ТРЭО и их конструкции и с целью повышения в целом надежности электроснабжения потребителей требуется проведение таких обязательных мероприятий, как заводские и эксплуатационные в процессе капитальных ремонтов испытания, электродинамические испытания и оценка состояния электроустановок ТРЭО диагностическими методами. Сущность последнего мероприятия состоит в мониторинге репрезентативного состава диагностических признаков в процессах эксплуатации при техническом обслуживании и при текущих ремонтах. При этом важнейшей составной частью содержательного обоснования принимаемых решений должна быть информация о всей предыстории конкретной электроустановки, которую необходимо фиксировать в информационном паспорте, хранящемся в ЭВМ.
Сказанное выше позволяет констатировать актуальность проблемы, которой посвящена настоящая диссертационная работа. Это неоднократно подчеркивалось на многих отечественных и зарубежных семинарах, конференциях, симпозиумах.
Целью работы является научная разработка диагностических моделей электроустановок ТРЭО и их применения для решения важных актуальных практических проблем анализа и управления потоками, повреждений и дефектов, что в целом обеспечивает повышение надежности их работы.
В соответствии с этими целями ставятся и решаются следующие задачи:
• научное обоснование комплексных диагностических моделей для электроустановок ТРЭО;
построение структурной схемы повреждений силовых трансформаторов на основе классификации ЭФВ и анализа аварийности мощных электроустановок ТРЭО;
• классификация и разработка диагностических моделей накопления дефектов, повреждений и отказов ТРЭО;
• разработка диагностического подхода к обоснованию оценки ресурсов электроустановок ТРЭО;
разработка методов оценки технического состояния и структурного подхода к принятию технических решений на основе анализа аварийности и опыта эксплуатации изношенного ТРЭО;
• научно-практическое обоснование оптимизации эксплуатации ТРЭО в современных условиях, а также разработка рекомендаций по организации в современных условиях полноценных электродинамических испытаний как наиболее существенной части оценки технического состояния.
Основные методы научных исследований. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического и физического моделирования ЭО для оценки ТС, их свойств и режимов, статических и динамических характеристик, базирующиеся на законах электротехники, теории вероятности. Использовался физико-математический аппарат исследований и построения диагностических моделей технического состояние ЭУ ТРЭО, научное обоснование методик проведения натурных экспериментов, электрических и электродинамических испытаний, принятых допущений и репрезентативной оценки погрешностей результатов, которое подтверждается удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных.
Исследования проверены аналитическими методами, методами моделирования на ЭВМ, на базе экспериментов в лабораторных условиях и на натурных образцах на высоковольтном сетевом испытательном стенде. Обоснованность и достоверность научных положений подтверждены экспериментальными исследованиями, опытом эксплуатации и методами оценки технического состояния ТРЭО.
Основные научные результаты и их новизна состоит в следующем. 1. Разработаны диагностические модели для оценки технического состояния электроустановок ТРЭО.
2. На основе анализа аварийности построена структурная схема повреждений мощных электроустановок ТРЭО на примере силовых трансформаторов.
3. Разработаны диагностические модели накопления дефектов, повреждений и отказов ТРЭО.
4. Разработан диагностический подход к обоснованию оценки ресурсов электроустановок ТРЭО.
5. Предложены методы оценки технического состояния и структурного подхода к принятию технических решений при эксплуатации изношенного ТРЭО.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Комплексные диагностические модели для силовых электроустановок ТРЭО.
2. Структурная схема повреждений силовых трансформаторов на основе классификации ЭФВ и анализа аварийности силовых электроустановок ТРЭО.
3. Диагностические модели накопления дефектов, повреждений, отказов ТРЭО.
4. Диагностическая модель для оценки ресурсов электроустановок ТРЭО.
5. Комплекс методов оценки технического состояния для диагностики ТРЭО.
6. Практическая оценка и закономерности изменения ресурсов, конструкции ТРЭО при испытаниях на стойкость токам КЗ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных и российских конференциях, семинарах и научно-технических совещаниях, на постоянно действующем семинаре «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», 2005 г. (г. Псков); на заседании коллоквиума СИГРЭ комитета 12 по трансформаторам (Венгрия, Будапешт, 1999 г.); рабочей группы СИГРЭ 33.03 по методам и средствам измерений высоковольтного ЭО (Италия, Падуя, 1995 г.); на 9-й Международной конференции по энергетическим системам (Санкт-Петербург 1994г.); на Международном Симпозиуме "Электротехника-2010 год. Наука, производство, рынок" (Москва, ВЭИ, 1995 г., 1997 г., 1999 г., 2003 г., 2004 г., 2006г.); на научно-техническом семинаре "Современные методы и средства оценки технического состояния и продления сроков эксплуатации высоковольтного оборудования энергосистем" (ВНИИЭ, Москва, 2001 г., 2003 г.); на 2-м научно-техническом семинаре "Качество производства и надежность эксплуатации маслонаполненного оборудования" (ПЭИПК, С.Петербург, 2002 г.); на научно-техническом семинаре "Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования" (ПЭИПК, С.-Петербург, 2002г., 2004 г., 2006г. ); на заседаниях Совета по диагностике Уралэнерго (г. Екатеринбург, 2002г., Москва, 2008г.); на рабочей группе СИГРЭ по современным трансформаторам ARWtr-2004 (г. Виго, Испания, 2004г.); на заседании коллоквиума СИГРЭ комитета А2 по трансформаторам (Москва, 2005 г.); на международном электроэнергетическом семинаре Исполнительного комитета Электроэнергетического Совета СНГ «Современные методы оценки технического состояния и способы повышения надежности электрических сетей и энергосистем» (Москва, 2006 т.); на Международном Симпозиуме "Электротехника-2030 год. Перспективные технологии электроэнергетики" (Москва, ВЭИ, 2007г., 2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 114 работ, из которых 88 приведены в библиографическом списке автореферата (26 по списку ВАК); получено 6 авторских свидетельств и патентов; выпущено более 52 научно-технических отчетов и протоколов измерений по итогам выполнения в рамках государственных научно-исследовательских программ, утвержденных и выполняемых совместно Министерством энергетики и электрификации, Министерством электротехническом промышленности и целым рядом научно-исследовательских институтов, в том числе ВЭИ им. В.И.Ленина, ВНИИЭ, НИИПТ и др.
Первая глава диссертации посвящена характеристике причин и видов повреждений ТРЭО в сетях различных , классов напряжения и математическому моделированию дефектов и повреждений при различных физических воздействиях, характерных для процессов эксплуатации трансформаторов и реакторов. Производится классификация их основных видов и на основе изучения физики процессов нарушения электромагнитной-совместимости (ЭМС) при разнообразных эксплуатационных воздействиях, строятся с помощью линейных и нелинейных гипотез" математические модели накопления повреждений. Разработаны диагностические модели для оценки технического состояния ТРЭО.
Во второй главе ditccepmaifun, имеющей методическое направление, для повреждений электроустановок ТРЭО даются обоснования математических моделей марковского, пуассоновского и кумулятивного типов. Кроме того, для нарушений ЭМС этих объектов при эксплуатационных физических (прежде всего, электромагнитных и тепловых) воздействиях (ЭФВ), приведены положения их построения на основе метода условных функций и др.
Постановка задач, математические модели и результаты анализа исследований ресурсов ТРЭО и их прогнозирования приведены в третьей главе диссертации. Здесь рассматриваются задачи и обсуждаются способы определения ресурсов электроустановок ТРЭО, анализируется влияние разброса их свойств и условий работы, а также даются методы и рекомендации по решению этих вопросов для сложных электротехнических комплексов ТРЭО.
Глава четвертая диссертации посвящена методам диагностики и их связи с повреждаемостью высоковольтного маслонаполненного ТРЭО. Также здесь на конкретных примерах проведен анализ основных причин внутренних повреждений обмоток силовых трансформаторов и реакторов напряжением 110-500 кВ в процессе эксплуатации.
В пятой главе диссертации отражены результаты исследования вопросы электродинамических испытаний силовых трансформаторов на стойкость токам КЗ. Здесь приводятся конкретные примеры испытаний силовых трансформаторов мощностью 25 МВА, 250 МВА и 666 МВА на стойкость токам КЗ на сетевом стенде, а также схемы электродинамических испытаний и осциллограммы напряжений на трансформаторе в ходе опытов КЗ.
Глава шестая диссертации посвящена диагностике и повреждаемости измерительных трансформаторов тока и напряжения. Здесь рассмотрены конкретные примеры повреждений и даются рекомендации по их предотвращению.
Оценка фактического состояния силового электрооборудования по результатам диагностических измерений является на сегодняшний день очень сложной и актуальной задачей. Большая часть электрического оборудования станций, подстанций системы генерации, передачи и-распределения электроэнергии выработала свой ресурс, но продолжает эксплуатироваться, так как требуются большие финансовые средства на его замену. Соответственно с каждым годом возрастают затраты на проведение комплексных обследований и диагностики.
Следует отметить, что маслонаполненное электрооборудование, например, силовые трансформаторы с дефектами в активной части могут нормально эксплуатироваться еще в течение многих лет, хотя в месте дефекта идут процессы развития нагрева, частичных разрядов (ЧР) в изоляции и, как следствие, ухудшение результатов диагностических измерений и анализов масла. В дальнейшие годы эксплуатации, а также в случае следующего серьезного короткого замыкания (КЗ), вероятен аварийный выход из строя трансформатора с тяжелыми последствиями. Своевременная диагностика технического состояния позволяет предотвратить аварийный выход ТРЭО из работы вследствие ухудшения его характеристик может помочь.
В нашей стране нормативно-технической основой для контроля и диагностики состояния электрооборудования генерирующих и сетевых предприятий, электростанций и подстанций является руководящий документ «Объем и нормы испытаний электрооборудования» (ОНИЭ) [1]. Он действует наряду с другими директивными документами и стандартами [2-11]. Несмотря на отдельные очевидные недостатки, ОНИЭ позволяет иметь достаточно близкую к объективной картину процессов, идущих внутри эксплуатируемого оборудования и приводящих в конечном итоге к возникновению дефектов и повреждений.
Возникает вопрос, что делать, когда:
1) характеристики электрооборудования подошли к границам, определяющим предельно допустимые значения (ПДЗ);
2) электроустановка подвергалась токам КЗ, перенапряжениям или другим эксплуатационным физическим воздействиям, значения которых превышают предельно допустимые;
3) срок эксплуатации оборудования превышает или близок к нормативному сроку (25 лет).
В этих ситуациях для обнаружения в электрооборудовании дефектов и повреждений, которые трудно диагностируются традиционными методами, предлагаются оррігинальньїе подходы к анализу технического состояния электроустановок и на их основе рассматриваются методы диагностики, не вошедшие пока в ОНИЭ. Некоторые из них уже нашли применение в практике эксплуатации как за-рубежом, так и в нашей стране. Освещены также и примеры их применения.
Такими специальными методами диагностики активной части силового ТРЭО являются метод низковольтных импульсов (НВИ) для контроля механического состояния обмоток после протекания сквозных токов КЗ, мониторинг уровня частичных разрядов (ЧР) в изоляции вводов и обмоток в совокупности с контролем изоляционных характеристик традиционными методами, входящими в ОНИЭ (Riaai, tgd, степень полимеризации бумажно 15
масляной изоляции и др.)- Эти несколько методов диагностики позволяют охватить и механическое состояние обмоток, и состояние их изоляции, что в сумме дает достаточно объективную общую картину «самочувствия», например, активной части силового трансформатора.
К остальным необходимым элементами системы, так называемой комплексной диагностики, можно отнести измерение уровня вибрации с целью оценки состояния запрессовки обмоток, состояния магнитопровода, системы охлаждения силовых трансформаторов, физико-химические анализы трансформаторного масла и другие методы. Достаточно информативными для оценки состояния электротехнического оборудования являются, входящие в ОНИЭ метод тепловизионного контроля с помощью средств инфракрасной диагностики и хроматографический анализ газов, растворенных в трансформаторном масле (ХАРГ).
Формальное описание износа и накопления повреждений ТРЭО
В процессе—эксплуатации—электроустановки "теряют свои" электротехнические качества, свойства и работоспособность. Это характеризуется понятиями старения, износа и выработки ресурса. Для их обобщенной характеристики, обоснования и направления соответствующих исследований В.Г. Сазыкиным [89] введено определение электрогериатрия. Оно определяет технологический процесс решения комплекса задач, связанных с особенностями применения и обслуживания стареющего электрооборудования. При этом названные изменения состояния электроустановок ставятся в зависимость от энергии электромагнитных или других физических воздействий. Именно она определяет или одномоментное разрушение или постепенное накопление необратимых повреждений в изоляционных - конструкциях, электромагнитных узлах и: элементах и механических деталях ТРЭО.
Стареющее электрооборудование, сохранившее работоспособность, условно можно разделить на следующие категории: 1) отработавшее при номинальных в среднем условиях эксплуатации «полный срок службы» («нормативный» износ); 2) отработавшее срок менее нормативного, с большим реальным износом из-за преобладания режимов эксплуатации с нагрузками, превышающими номинальные; 3) амортизационно изношенное, для которого амортизационные отчисления на восстановление уже не производятся); 4) морально изношенное, то есть уже не отвечающее современным научно-техническим требованиям.
Характерным для названных категорий является выполнение стареющим электрооборудованием своих технологических функций не только в пределах заданного срока службы, но и после него.
Однако, в последнем случае условия функционирования Принятие решений в процессах его эксплуатации часто проводится на основе волевых и эмпирических принципов, а также субъективных представлений обслуживающего персонала. Более того, организация эксплуатации для такого оборудования в значительной мере отличается от соответствующих технологий для электроустановок, работающих в рамках своего жизненного цикла.
В современных условиях в электротехнических комплексах и системах электроснабжения новейшие электроустановки работают совместно с большим количеством устаревшего электрооборудования. Поэтому представляется весьма важным создание математических моделей процессов, определяющих износ и старение и, прежде всего, развития и накопления дефектов и повреждений.
Их характер различен и многообразен. Так для ТРЭО по своему происхождению они в большом числе случаев имеют электромагнитную, электродинамическую и тепловую природу. Причины их возникновения, как было показано в предыдущем параграфе, — кратковременные или продолжительные воздействия динамических и стационарных перенапряжений и аномально больших токов в режимах перегрузок и коротких замыканий. Также здесь необходимо назвать процессы, результатами которых является потеря электрической прочности жидкой и твердой изоляции за счет ионизационных процессов и тепловых воздействий. Непосредственным образом с ними связаны проявления электрохимического происхождения (коррозия, эрозия, адсорбция).
Естественными результатами большинства прогрессирующих дефектов оказываются механические повреждения (растрескивание, выгорание, изнашивание, накопление пластических деформаций и др.). Несомненно, приведенный перечень далеко не полон. Многие виды -повреждений электрической прочности и стойкости изоляции могут включать явления химического, физического, прежде всего, термического и электродинамического происхождения.
В разработке теории накопления повреждений электроустановок ТРЭО, несмотря на многообразие перечисленных явлений, предопределена связь накопления возникающих и развивающихся дефектов и повреждений с действующими эксплуатационными физическими воздействиями (ЭФВ), в том числе и условиями окружающей среды.
Точные решения по нахождению математических моделей названной связи возможны лишь в отдельных упрощенных частных случаях. В общей постановке задачи это практически невозможно, по крайней мере, в обозримом будущем. Поэтому естественным направлением исследований является разработка приближенных математических моделей, использующих так называемые полуэмпирические описания.
Термин полуэмпирические модели в значительной мере связан с широко применяемой в теоретической и \ технической кибернетике концепцией «черного ящика» [64, 65]. Модели, построенные, с помощью такого подхода, не ставят целью объяснить или детально описать явления и процессы, происходящие в конкретных подсистемах и элементах, электроустановок ТРЭО.
Каждый из них условно представляется «черным ящиком», то есть некоторым функциональным блоком, имеющим входы и выходы, соответствующие его действительной конструкции. Для них теоретически, экспериментально или по данным эксплуатации устанавливается функциональная детерминированная или статистическая связь.
Предельные состояния — граничные условия ЭМС
Существенным положением теории и практики ЭМС является понятие предельного состояния для ТРЭО, при котором эксплуатация или восстановление работоспособного состояния ЭУ невозможны или нецелесообразны. Граничные условия ЭМС, характеризующие предельные состояния ЭУ ТРЭО часто называют критериями ЭМС (условиями НЭМС).. Их определяют путем измерений, экспериментов, расчетов или директивным образом, устанавливая значения параметров - признаков состояния ЭУ или их совокупностей. Они объективно соответствуют выходу из строя или отказу работоспособного состояния электрооборудования. Строго говоря, они устанавливаются на самых ранних стадиях разработки ЭУ, корректируются по результатам их испытаний в процессе ввода и на всех этапах в течение эксплуатации. Их вносят в проектно-конструкторскую, нормативно-техническую и эксплуатационную документацию на ЭУ (так называемые, паспорта ТРЭО).
К сожалению, достаточно часто „приходится -сталкиваться—с неудовлетворительным состоянием документации в эксплуатирующих организациях. В этих случаях, по сути дела, единственным источником информации о граничных условиях ЭМС являются каталожные, паспортные и справочные данные.
Однако наиболее актуальным мероприятием по оценке обеспечения ЭМС и работоспособности ЭУ является реализация плановой и аварийной диагностики состояния ЭУ. Ее результатами являются текущие значения названных выше параметров - признаков, определяемые в процессах оценки технического состояния. При этом устанавливаются факты выхода значений любого из этих параметров за пределы названных выше граничных условий (в частности, конкретных дискретных значений, с чем приходится иметь дело в большинстве случаев). Эта информация может быть дополнена качественными признаками, указывающими на то, в нормальной работе ЭУ произошел сбой или отказ.
Переход и наступление факта предельного состояния ЭУ влечет за собой временное или окончательное прекращение эксплуатации ЭУ. При достижении предельного состояния при применении ЭУ ТРЭО по назначению или, если этот факт установлен по нарушениям безопасности хранения или транспортирования, ЭУ должна быть снята с эксплуатации, направлена в средний или капитальный ремонт, списана, уничтожена или передана для применения не по назначению.
Граничные условия ЭМС для ТРЭО в подавляющем большинстве случаев являются приближенными критериями ЭМС. Они существуют в виде конкретных значений, в функциональной и статистической форме и могут быть классифицированы следующим образом. 1. По существу и происхождению: идеальные, точные — объективно существующие или теоретически предполагаемые (см. далее п. 4); приближённые, практические — задаваемые или определяемые любым способом;
По множественным_признакам: - точечные — одномерные, в виде скалярного численного значения уровня ЭМС; - плоскостные — двухмерные, в виде параметрической кривой (зависимости от двух параметров ЭМС) на плоскости; - объёмные - трёхмерные, в виде параметрической поверхности (зависимости от трёх параметров ЭМС) в трёхмерном пространстве; - многомерные — в виде параметрической гиперповерхности (зависимости от N параметров ЭМС) в N —мерном пространстве. 3. По формальному описанию: - дифференциальные (частные), определяемые для одного элемента, электроустановки или объекта; - интегральные (обобщённые) - определяемые для совокупности электроустановок и объектов ТРЭО, например, подстанции. Каждый из элементов совокупности при этом имеет свой уровень (граничное значение, критерий). Условием интегральности является фиксация НЭМС при превышении конкретного параметра ЭМВ над уровнем критерия ЭМС хотя бы одного из элементов совокупности. То есть НЭМС одного из элементов классифицируется как НЭМС всей системы, объекта или электроустановки ТРЭО; - статистические — определяются на основе обработки многочисленных данных о параметрах воздействий, которые приводили к НЭМС; - детерминированные (регулярные) - определяются в условиях отсутствия статистической нечёткости.
Принципы математического моделирования ресурсов ТРЭО
Математическое моделирование ресурсов ТРЭО с физической точки зрения определяется факторами ЭФВ, среди которых можно выделить наиболее существенные, такие, как температура и напряженность электрического поля. Влияние этих факторов может быть учтено как раздельно, так и совместно.
Для ресурса изоляции важной физической закономерностью, отражающей его связь с температурой, является закон Аррениуса, который для этого случая может быть представлен в следующем виде: где Wa - энергия активизации; К - постоянная Больцмана; Г абсолютная температура.
Также ресурс изоляции в значительной мере зависит от напряженности поля электрического поля Е. Эту зависимость отражает следующее выражение: где п - показатель степени, который устанавливается экспериментально в зависимости от особенности изоляционной конструкции, вида изоляции, рода воздействующего напряжения и его величины (область начальных или критических частичных разрядов - ЧР). Например, для маслобарьерной изоляции силовых трансформаторов при напряженностях электрического поля, близких к рабочим, п = 55 - 80, а для конденсаторной изоляции при напряжениях промышленной частоты п = 6 + 10.
Зависимость ресурса изоляции от напряженности поля и температуры Г выражается следующей формулой:
Ресурс ЭУ ТРЭО зависит от ресурсов его компонентов (элементов, узлов, блоков и т. п.), поэтому задача о прогнозировании ресурса сложных объектов распадается на ряд более частных задач, а решение задачи для объекта в целом состоит в синтезе полученных частных результатов. Рассмотрим типичные постановки задач, которые можно применить как к отдельным частям объекта, так и к объекту в целом. Для воздействий на объект в условиях его эксплуатации принят термин ЭФВ. В него включены как собственно технические эксплуатационные, так и природные ЭФВ, возникающие при нормальных условиях работы.
Разобьем все компоненты объекта на группы по порядку их ремонта, замены или восстановления. Эти компоненты и дефекты, которые в них возможны,, подробно рассмотрены в главе 1. В первую группу входят все элементы, которые должны служить до планового списания объекта, то есть до исчерпания технико-экономически обоснованного срока службы. Вторую группу образуют компоненты, которые должны служить до ближайшего капитального ремонта. Третью группу составляют компоненты, подлежащие проверке и замене при промежуточных планово-профилактических мероприятиях, и, наконец, четвертую — компоненты, для которых допустимы несущественные отказы.
Наибольший интерес представляют преимущественно компоненты первой и второй групп, для которых необходимо согласование ожидаемых показателей долговечности с оптимальными или рациональными (нормативными) значениями.
Опишем текущее состояние объекта ТРЭО в условиях постепенной выработки ресурса с помощью конечного числа неотрицательных параметров Di,..., Ді которые характеризуют степень повреждения и износа основных составных частей и элементов конкретной ЭУ. Назовем параметры Db..., Dn мерами повреждений, которые являются функциями времени, а составленный из них вектор D — вектором повреждений (см. главу 1).
Для описания условий эксплуатации (электромагнитные и тепловые ЭФВ, параметры окружающей среды, показатели интенсивности технологических процессов, прежде всего, электропотребления и т. п.) введем, как и в главе 1, векторный процесс е (t). Его реальными выражениями для ТРЭО являются графики электрических нагрузок, температурные воздействия окружающей среды, характеристики потоков коммутационных и атмосферных перенапряжений и режимов коротких замыканий и др.
Пренебрегая последействием, допустим, что приращение мер повреждений в единицу времени, возникающих от названных выше ЭФВ, представленных в виде математических моделей е (t), зависит лишь от состояния объекта и уровня ЭФВ в этот момент времени. Тогда, считая, что процесс D (і) и вектор повреждений D удовлетворяют условиям кумулятивности, можно записать векторным дифференциальным уравнением типа
Методы низковольтных импульсов и частотного анализа для контроля механического состояния обмоток силовых трансформаторов
Наиболее эффективными методами диагностики ТРЭО, чувствительными к изменению механического состояния обмоток являются наряду с измерением сопротивления (напряжения) КЗ, метод НВИ, метод частотного анализа спектров сигналов обмоток (в английской аббревиатуре-FRA - Frequency Response Analysis) и др.
Метод низковольтных импульсов (НВИ), широко используемый в анализе волновых процессов в электрических сетях, в различных вариациях известен с 50 - 70-х г.г. прошлого столетия.
Например, так называемый «синхронограф» был предложен Е. Хардером и Дж. Клейтоном [Transaction AIEE, т. 72, ч.Ш, 1953 г. (пер.)]. Его основные части - низковольтный (до 1 кВ) импульсный генератор и фиксирующий блок, состоящий из двух синхронизированных осциллографических устройств, пoзвoляющиxJГОЗЛYHитьJ MIIyльcьт: исходный (на генераторе импульсов) и конечный (на объекте).
Работа «синхронографа» основана на повторении быстропротекающих импульсных процессов 50 (25, 12.5) раз в секунду, что позволяет получать устойчивое изображение на фиксирующих осциллографах с разверткой от обычной электрической сети. Это дает возможность исследовать в реальных электроустановках импульсные процессы с длительностью, кратной периоду промышленной частоты (1, 2, ...) или его частей.
В нашей стране это направление под названием «натурное моделирование» было развито в работах, которые выполнили в Ленинградском Политехническом институте (ЛПИ) по руководством М.В. Костенко [62] В.Н. Орлов, Ф.Х. Халилов, В.Г. Гольдштейн, Б.В. Ефимов и др. Был создан анализатор переходных процессов в протяженных объектах (АЛЛ ЛПИ), превосходящий по возможностям «синхронограф». С его помощью были проведены работы по низковольтному моделированию грозовых перенапряжений в электрических сетях, в том числе и для объектов ТРЭО.
В частности, были выполнены разнообразные исследования прохождения импульсов напряжения через обмотки трансформаторов 110 кВ в энергосистемах Ленэнерго, Донбассэнерго, Грузглавэнерго и др.-Полученные результаты позволили уточнить картины волновых процессов при воздействиях грозовых перенапряжений, а также установить отдельные технические дефекты в работе исследуемых объектов. Конструкция, аналогичная АПП ЛПИ, была реализована в МЭИ Е.М. Жаковьігм [Электричество, №5, 1969].
Развитием этого направления является методика обнаружения дефектов силовых трансформаторов в виде остаточных деформаций (изменения геометрии) обмоток после протекания сквозных токов КЗ, которую, предложили В. Лех и Л. Тымински (Польша) в 1966 г. [67, 68]. Названные деформации приводят к изменениям индуктивно-емкостных связей между фазами, обмотками, на магнитопровод и бак трансформатора. Последние наглядно фиксируются по форме и величинам сигналов при подаче на трансформатор низковольтных импульсов (НВИ). Это и определило название данного метода диагностики таких дефектов. Его высокая чувствительность обеспечила ему признание и широкое применение [52, 60, 77, 114].
Однако, несмотря на все положительные стороны метода НВИ, необходимо иметь ввиду, что по осциллограммам НВИ возможна лишь качественная оценка изменений в обмотке силовых трансформаторов по изменению частоты и амплитуды. Поэтому не всегда удается с полной уверенностью интерпретировать изменения в кривых НВИ, что затрудняет постановку диагноза повреждения (см. далее рис. 4.9).
Анализ последствий электродинамических процессов, происходящих в обмотках силового трансформатора при КЗ, значительно облегчается, становится более репрезентативным и, что самое главное, достоверным при использовании спектрального анализа сигналов, зафиксированных на обмотках до и после КЗ.
Спектральный анализ этих сигналов дает возможность оценивать результаты воздействия токов КЗ на объекты ТРЭО по изменениям частотного спектра сигналов, применяемых в диагностике.
