Введение к работе
Актуальность темы.
Анализ старения энергетического оборудования показывает, что уровень износа основных фондов в Федеральной сетевой компании в настоящий момент приближается к 70 %. Нормативный срок выработало 52% оборудования, а 7,4 % -дважды отработало этот срок. Из них износ силовых трансформаторов составляет 63 %. Стоимость замены оборудования на новое, составляет около 10 млрд. долларов. Чрезмерный износ оборудования приводит к снижению надежности электроснабжения, потери электроэнергии в системах. Поэтому мониторинг, диагностика и своевременный ремонт электросетевого хозяйства России, а именно силовых трансформаторов, - одна из первоочередных задач энергетической отрасли. Наиболее повреждаемые элементы конструкции силового трансформатора, согласно открытых источников, являются обмотки и их изоляция. На них приходится 44% всех повреждений. Они же относятся и к наиболее опасным и тяжелым последствиям для силового трансформатора.
Значительный вклад в разработку методов и средств мониторинга и диагностики силовых трансформаторов внесли работы Аксенова Ю.П., Аракеляна В.Г., Гольдштейна В.Г., Гречко О.Н., Киреевой Э.А., Кудратиллаева А.С., Лукьянова М.М., Русова В.А., Сви П.М., Харисова Э.А., Хренникова А.Ю.
В настоящее время наиболее удачны и успешно применяются системы диагностики и мониторинга следующих компаний: «Диагностика+» ИГЭУ (Россия); ABB «Secheron» (Швейцария); TRAS (США); TDM «Вибро-центр» (Россия). В СНГ так же проводят исследования и внедряют разработки в жизнь следующие исследовательские центры: ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» (ранее НИЦ ВВА), Новочеркасский ГТУ, НИЦ «ЗТЗ-Сервис» (г. Запорожье).
Но существующие методы, производящие диагностику на работающем трансформаторе (метод частичных разрядов, инфракрасная диагностика), не позволяют в целом оценить техническое состояние отдельных его элементов, что снижает количественную и качественную оценку технического состояния трансформатора в целом. Отсюда можно сделать вывод, что диагностические параметры состояния силового трансформатора такие как активные, индуктивные и емкостные сопротивления обмоток, недостаточно изучены и мало используются.
Поэтому, комплексный учет факторов изменения температуры масла, переходных электромагнитных и электромеханических процессов, гармонических составляющих тока и напряжения, активного, индуктивного и емкостного сопротивления, закономерностей, влияющих на электротехнические элементы силового трансформатора под нагрузкой и прогнозирование на основе схем замещения в контрольных точках, является актуальной научной задачей.
Цель выполнения диссертационной работы: повышение эффективности экспресс диагностики силовых трансформаторов под нагрузкой путем обоснования структуры и рациональных параметров новых технических решений устройств диагностики, учитывающих в комплексе факторы изменения температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное,
индуктивное и емкостное сопротивления электротехнических элементов силового трансформатора.
Задачи исследования:
1) анализ технических средств функциональной диагностики силовых
трансформаторов, методов расчета параметров и прогнозирования их
технического состояния;
-
разработка математических моделей совмещения устройств функциональной диагностики с электротехническими элементами силового трансформатора под нагрузкой в точках измерений на основе схем замещений, выполненных в различных конструктивных исполнениях, учитывающих в комплексе факторы изменения температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное, индуктивное и емкостное сопротивления электротехнических элементов силового трансформатора, для прогнозирования технического состояния;
-
оценка влияния внутренних и внешних факторов на формирование динамики активного, индуктивного и емкостного сопротивлений электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой;
4) исследование математических моделей устройств функциональной
диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под
нагрузкой, для определения и обоснования рациональных параметров,
позволяющих осуществлять прогноз технического состояния трансформатора с
высокой степенью достоверности;
-
определение уровня надежности системы и условий ее реализуемости, а так же разработка методики определения рациональных параметров по критерию надежности;
-
разработка физических моделей на основе схем замещения для проведения экспериментальных исследований для проверки адекватности полученных моделей и зависимостей, а так же изучение практической функциональной диагностики электротехнических элементов.
Идея работы заключается в обеспечении требуемого уровня совместимости
электротехнических устройств функциональной диагностики с
электротехническими элементами силового трансформатора под нагрузкой в точках измерений на основе контроля динамики активного, индуктивного и емкостного сопротивлений электротехнических элементов силового трансформатора и определения рациональных параметров новых технических решений устройств диагностики по критерию надежности.
Объект исследования: силовой трансформатор под нагрузкой, как основной элемент электротехнического комплекса.
Предмет исследования: деградационные процессы электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы электромеханики и теоретических основ электротехники, численные методы, методы математической статистики, теория тепловых процессов и тепломассопереноса, теория надежности технических систем, экстраполяционные методы прогнозирования, планирование эксперимента, методы оптимизации,
программирование в системе MATLAB. Проверка теоретических результатов осуществлялась путем проведения численных и натурных экспериментов. Основные научные положения, выносимые на защиту:
1) математические модели электротехнических устройств диагностики
электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой на
основе схем замещения в контрольных точках, позволяющие учесть отклонения
от нормального состояния на основе учета изменения активного, индуктивного
емкостного сопротивлений, путем измерения мгновенных значений тока и
напряжений и зависимости для определения их рациональных параметров;
2) методика экспресс диагностики электротехнических элементов силовых
трансформаторов под нагрузкой на основе динамики активного, индуктивного
емкостного сопротивлений через измерение мгновенных значений тока и
напряжений;
3) установлены зависимости для прогнозирования состояния электротехнических
элементов силовых трансформаторов под нагрузкой по критерию надежности на
основе рациональных параметров схем замещений новых устройств в местах
совмещения.
Научная новизна заключается в обосновании рациональных параметров электротехнических устройств диагностики и обеспечения требуемого уровня совмещения с электротехническими элементами силовых трансформаторов под нагрузкой:
-
получены аналитические зависимости на основе анализа схем замещения для расчета рациональных параметров электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой учитывающие в комплексе такие факторы как, изменяющаяся температура масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения, активное, индуктивное, емкостное сопротивления, основанные на измерении мгновенных величин тока и напряжении;
-
установлены зависимости состояния электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой от динамики активных, индуктивных и емкостных составляющих их полных сопротивлений при влиянии технологических и эксплуатационных факторов, таких как конструктивные особенности, изменение температуры масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения;
-
разработана методика прогнозирования состояния электротехнических элементов силового трансформатора под нагрузкой путем аппроксимации динамики активных, индуктивных и емкостных составляющих их полных сопротивлений экстраполяционными степенными полиномами, позволяющая выявить зарождение и развитие дефектов;
-
структурные и рациональные параметры электротехнических устройств диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой в точках совмещения, учитывающие изменяющуюся температуру масла, переходные электромагнитные и электромеханические процессы, гармонические составляющие тока и напряжения.
Научная новизна основных положений подтверждена патентами РФ на полезную модель № 105536, № 108855.
Достоверность научных положений.
Основные научные положения и выводы основываются на фундаментальных положениях общей теории электротехники и математики, адекватностью теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составило 9,5%, что подтверждает их удовлетворительную сходимость, практическим применением результатов работы в производстве.
Практическая значимость.
На основе проведенных исследований разработана методика экспериментального исследования состояния обмоток и их изоляции силовых трансформаторов любого конструктивного исполнения под нагрузкой, а так же определения рациональных параметров устройств диагностики и их подключения, методика определения и прогнозирования технического состояния элементов силового трансформатора.
Реализация результатов работы. Результаты были использованы:
-
в части диагностирования, оценки ресурса и прогнозирования технического состояния элементов силовых трансформаторов с помощью разработанных устройств в Группе компаний «Стройэкспертиза» с годовым экономическим эффектом 44 тыс.руб. на трансформатор 1000 кВА;
-
использование в учебном процессе. Теоретические результаты данной работы были использованы при разработке курсов лекций и комплексов лабораторных работ по дисциплинам: «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Основы проектирования электроэнергетических систем», «Электроснабжение промышленных предприятий».
Апробация работы. Результаты данной диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: IV, V, VI, VII Магистерская научно - техническая конференции Тульского государственного университета, Тула, 2009-2012; V Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика», Москва, 2010; III Всероссийская научно-техническая конференция «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», Уфа, 2011; XII Международная научно-практическая конференция «Проблемы энергосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах», Пенза, 2011; II Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах», Пенза, 2011; V, VI молодежная научно-практическая конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации», Тула, 2011-2012; XLI Всероссийская научно-практическая конференция (с Международным участием) «Федоровские чтения 2011», Москва, 2011; Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение-2011», Тула, 2011.
Публикации. По результатам работы было опубликовано 18 работ, из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено 2 патента на полезную модель № 105536, № 108855.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование и приложения с результатами внедрения. Общий объем составляет 144 страницы, содержит 33 иллюстрации и 13 таблиц.
Автор выражает благодарности заведующему кафедрой
«Электроэнергетика» Тульского государственного университета, доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу и доценту кафедры «Электроэнергетика» Тульского государственного университета, кандидату технических наук, доценту Горелову Юрию Иосифовичу за научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.
Похожие диссертации на Повышение эффективности функциональной диагностики электротехнических элементов силовых трансформаторов под нагрузкой
