Введение к работе
Актуальность проблемы. Изоляционная система современного маслонаполненного оборудования, в том числе и высоковольтных трансформаторов, лежит в основе организации надежного бесперебойного энергоснабжения и является ключевым элементом, гарантирующим безаварийную эксплуатацию подобного рода оборудования.
В настоящее время организация надежного энергообеспечения как у нас в стране, так и за ее пределами требует учета ряда устойчивых тенденций, наиболее важными из которых являются:
заметный рост электропотребления и связанное с ним увеличение парка эксплуатируемого оборудования при постоянном повышении требований к надежности, долговечности, экологичности эксплуатируемых устройств;
«старение» парка обслуживаемого оборудования, и в первую очередь, наиболее ответственного и дорогостоящего трансформаторного оборудования;
- переход от планово-предупредительного ремонта оборудования к
системе технического обслуживания на основе оценки его фактического
состояния, позволивший сделать проводимый ремонт более целесообразным и
технически обоснованным.
Определение фактического состояния оборудования в данном случае основано на измерении значений контролируемых параметров, для которых определяются тревожные и аварийные уровни сигналов. Сравнение действительных значений с установленными уровнями тревоги и предыдущими замерами дает оценку изменения состояния контролируемого оборудования. Организованный, таким образом, диагностический контроль имеет своей целью предотвращение аварийного отказа оборудования, определение его состояния и прогнозирование остаточного ресурса как одного из главных показателей надежности.
Однако, неопределенности, возникающие при определении уровней тревожных и аварийных сигналов, а также при выборе вида и метода измерения значений контролируемых параметров, не позволяют до конца решить поставленные задачи. Поэтому сегодня говорят о новых подходах, формирующих принципиально новую парадигму диагностики состояния эксплуатируемого оборудования, качественно изменяющих требования к нему. Главной задачей становится управление жизнью эксплуатируемого оборудования и прогнозирование его состояния на относительно длительный период. Такие подходы не являются тривиальными и требуют разработки принципиально новых методов планирования контроля, формирования эффективного параметра контроля и обеспечения толерантности получаемых результатов (идеология обеспечения качества G.Taguchi).
Основные мировые тенденции, перечисленные выше, определяют
актуальность решения проблемы создания диагностической системы,
непосредственно интегрированной в технологический процесс обслуживания
дорогостоящего маслонаполненного оборудования, функционирующего в
распределительных сетях электрообеспечения. Поэтому она должна обладать
высокой эффективностью, производительностью, отличаться доступностью
методов контроля и применяющихся при этом материалов. Располагать
физически обоснованными математическими моделями, позволяющими
формализовать наши представления о состоянии контролируемого объекта и
допускающими формирование итогового заключения. Корректирующие
мероприятия, сформулированные в итоговом заключении, должны
предусматривать процедуры, исключающие отказ эксплуатируемого оборудования в пределах конкретно заданного периода времени.
Высоковольтный трансформатор, как и любое маслонаполненное оборудование, представляет собой многокомпонентную систему узлов и элементов. Отказ любого из них приводит к отказу всего трансформатора. Анализ причин отказа работающих трансформаторов за период 1997 -^ 2003 годов по данным IMIA — WGP(33/03) (международной ассоциации страхования инженерной продукции) показал, что основной причиной материальных потерь является отказ изоляционной системы (в стоимостном выражении это составляет более 52%). На втором месте (более 22%) оказались причины связанные с конструкцией трансформатора, используемыми материалами и качеством их изготовления. Тем не менее, в настоящее время отсутствует эффективная система контроля состояния изоляционной системы трансформаторов и оценки ее качества.
Нормативные документы РД 34.45-51.300 - 97 (Объем и нормы
испытаний электрооборудования), регламентирующие измерения
сопротивления изоляции RH3 и коэффициента абсорбции кабс при заданных в них уровнях тревоги не предусматривают всех требований к ним, что оказываются явно не достаточным. В них не учитываются особенности физических процессов, протекающих в контролируемых изоляционных промежутках, не устанавливается степень дефектности и степень изношенности работающих материалов. Отсутствие систематических теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении с точки зрения диагностики делают практически бесполезными результаты такого рода контроля.
Хотя изучение поляризационных процессов в диэлектриках успешно проводилось крупными научными школами (петербургская научная школа электротехнического материаловедения: Койков С.Н., Сажин Б.Н., Борисова М.Э. и др.), процессы поляризации (особенно структурной), развивающейся в объеме изоляционных промежутков силовых трансформаторов, методы
исследования и оценивания их основных параметров, по существу, оставлены без внимания. Использование метода измерения величины возвратного напряжения (RVM) и метода контроля величины диэлектрического отклика (PDC) на действие приложенного электрического поля (спадание тока со временем) даже в зарубежной [Е. Gockenbach, A. Shayegani, М. Farachani, Тарап К. Saha] практике диагностического контроля состояния не пошло дальше оценки степени увлажнения твердой изоляции.
В этой связи разработка и исследование высокоэффективных систем диагностического контроля состояния маслонаполненного энергетического оборудования, в основу которых положены результаты изучения: процессов поляризации, развивающихся в диэлектрических материалах изоляционных конструкций; основных закономерностей их старения в эксплуатационных условиях; возможностей непосредственного интегрирования разработанных систем диагностики в технологический процесс обслуживания оборудования и обеспечения требуемого уровня его надежности представляют действительно актуальную научно-техническую проблему современных электротехники и электроэнергетики.
Объектом исследования являются изоляционные промежутки силового маслонаполненного оборудования, надежность работы которых обеспечивает не только надежность всего устройства в целом, но и минимум эксплуатационных затрат.
Предметом исследования являются закономерности, описывающие развитие процессов поляризации, в том числе и структурной, лежащие в основе, как формирования эффективного параметра контроля, так и принципиально новых методов диагностики работоспособности маслонаполненного оборудования.
Цель работы. Разработка методов контроля и исследования спектров токов структурной поляризации, развивающейся в объеме изоляционных промежутков маслонаполненного оборудования, и создание на этой основе высокоэффективной системы диагностики состояния подобного рода оборудования, непосредственно интегрированной в технологический процесс обслуживания и обеспечения требуемого уровня надежности электроснабжения при минимуме эксплуатационных затрат.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Дать теоретическое описание конструктивных особенностей изоляционной системы, обеспечивающих механическую прочность, электрическую стойкость и долговечность оборудования в целом. Выбрать и обосновать физическую модель изоляционного промежутка силового трансформатора, отражающую основные закономерности поведения
материалов в сложных эксплуатационных условиях в течение длительного времени.
2. Исследовать химический состав, структуру и свойства основных
материалов, формирующих изоляционные промежутки, с учетом современных
представлений о механизмах их старения.
-
Разработать комплексный подход к оценке эксплуатационной надежности изоляционного промежутка, отличительной чертой которого является отказ от направленных проверок работающего оборудования и переход к организации эффективно действующей системы управления его длительностью жизни. Учитывая, что увеличение объема контролируемых параметров (за счет включения новых) делает систему более затратной, трудоемкой по времени, неспособной охватить своим вниманием все потенциально опасные трансформаторы.
-
Сформировать основные принципы управления временем жизни изоляционных промежутков. Разработать новые подходы к определению состояния объекта контроля как некоторой физической величины, требующие специальных методов надежной количественной оценки, позволяющие контролировать степень эксплуатационной пригодности энергетического оборудования и обеспечивающие надежное функционирование технологического процесса диагностики.
5. Дать аналитический обзор существующих методов контроля состояния
силовых трансформаторов с точки зрения их диагностических возможностей и
практической ценности, которые гарантируются наличием глубоко
обоснованных норм, устанавливающих допустимые значения параметров
контроля, надежностью аппаратурного и метрологического обеспечения
анализируемых методов.
6. Сформулировать основные принципы построения диагностической
системы, лежащей в основе управления длительностью жизни объекта контроля
и базирующейся на результатах системного анализа накопленного опыта
эксплуатации оборудования в течение длительного периода времени.
7. Сформировать комплексный параметр контроля состояния
изоляционного промежутка, сочетающий в себе характерные черты
обобщенного показателя качества, в том числе и повышенную робастность к
сторонним неконтролируемым факторам, который может быть принят в
качестве количественной характеристики состояния объекта контроля.
8. Разработать методы оценки и контроля состояния изоляционной
системы, позволяющие устанавливать степень изношенности материалов,
вычислять оставшийся ресурс времени эксплуатации; представить процессы,
протекающие в ней, в виде физической модели; предложить аппаратурное
оформление методов и их применение для решения ряда практических задач,
представляющих сущность решаемой в работе научно-практической проблемы.
9. Разработать принципы формирования итогового заключения о
состоянии контролируемого промежутка на основе результатов первичной
обработки собранной информации, ее анализа и результатов подтверждающих
и уточняющих процедур. Формализованный вид представления итогового
заключения должен соответствовать требованиям программно-аналитического
комплекса современных экспертных систем.
10. Разработать корректирующие мероприятия, реализация которых
обеспечит эксплуатацию маслонаполненного оборудования, находящегося под
наблюдением, с требуемым уровнем надежности и долговечности при
минимуме эксплуатационных затрат.
Методика исследования поставленных в работе задач базируется на основных положениях теории электропереноса в сложных диэлектрических системах и сводится к определению параметров процесса электропереноса и изучению его основных закономерностей. Исследование процесса электропереноса во временной области 0 -^ 600 сек, в которой величина токов поляризации заметно превалирует над уровнем тока утечки, потребовало разработки специальных методов и приемов обработки результатов измерения тока, протекающего в разрядном промежутке, и контроля изменения его во времени. В связи с этим был разработан метод формирования спектров токов поляризации, временная область которых может изменяться в широких пределах.
Вид спектра токов поляризации, его характерные основные черты и параметры показали высокую чувствительность к изменению числовых параметров процесса электропереноса за счет развития структурных нарушений в объеме изоляционного промежутка. Поэтому предложенный в работе метод построения спектра токов поляризации и методы изучения основных его характеристик отличаются высокой эффективностью оценки состояния объектов исследования.
Используемый для измерения плотности тока в разрядном промежутке измерительно-вычислительный комплекс С.А6547, снабженный собственным программным обеспечением и микропроцессорным устройством, позволяет контролировать широкий спектр параметров, характеризующих процесс электропереноса в сложных диэлектрических средах (Сиз. , Іут., R-из., Т , PL ЯЯидр.).
Методы корреляционного анализа, широко используемые в работе, позволили установить функциональные зависимости между основными параметрами, характеризующими состояние контролируемого промежутка, и предоставили возможность эффективно использовать методологию
уточняющих и подтверждающих процедур, что в значительной мере повышает достоверность получаемых оценок. Сюда же относятся методы оценки разрядной активности, методы хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле, методы построения полигона сопротивлений совместно с методами анализа поступающей информации (метод непосредственного сопоставления с аналогом, метод назначенного лидера, метод структурирования функций качества, метод вычисления обобщенного индекса поляризации).
Для обоснования разработанного метода контроля состояния
изоляционных промежутков кроме материалов теоретического описания
отклика диэлектрической среды в выбранной временной области и
математического моделирования процесса электропереноса в сложных
диэлектрических средах (двухслойный конденсатор Максвелла) в
распоряжении автора работы были результаты экспериментального исследования всех изоляционных промежутков 75-ти силовых трансформаторов (110/35/ 10(6) кВ) при трех уровнях тестирующего напряжения (500, 1000, 2500 кВ), полученные при испытании трансформаторов в полевых условиях, а так же результаты хроматографического анализа каждого из 75 трансформаторов, предоставленные штатными лабораториями ОАО «Смоленскэнерго», ОАО «Брянскэнерго», ОАО «МОЭСК». Таким образом, методы контроля состояния изоляционных промежутков, представленные в этой работе, имеют не только глубокое теоретическое обоснование, но и убедительное экспериментальное подтверждение.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, и основные положения, выносимые на защиту:
1. Впервые выявлены основные закономерности изменения токов поляризации в сложных диэлектрических средах изоляционной системы силового маслонаполненного оборудования от времени его эксплуатации. Их достоверность подтверждается обширным экспериментальным материалом, представляющим собой результаты исследования токов поляризации в изоляционных промежутках 75 трансформаторов напряжением 110/35/10(6)кВ, возраст которых находится в диапазоне 20 -^ 56 лет.
2. Анализ представленного в работе массива экспериментальных результатов позволил:
выделить временную область, в которой превалируют процессы структурной поляризации, что позволило обеспечить высокую чувствительность методов, предлагаемых в работе, к изменению состояния изоляционных систем маслонаполненных трансформаторов; сформировать спектр токов поляризации и выделить его основные параметры, обладающие повышенной чувствительностью к
изменению свойств материалов, работающих в изоляционных промежутках силового трансформатора; разработать комплексный показатель состояния изоляционного промежутка в виде обобщенного индекса поляризации (tpi - total polarization index), представляющий собой максимальное значение функции [t-I(t)Jmax, и позволяющий представить выявленные в работе закономерности в обобщенном виде.
-
Обнаружена высокая чувствительность разработанного параметра tpi к условиям и времени эксплуатации маслонаполненного оборудования, которая позволяет поставить под инструментальный контроль параметры изоляционной системы (W% - степень увлажнения твердой изоляции; степень ее полимеризации - DP; интенсивность разрядной активности - а; время жизни -ґж), определяющие надежность и долговечность ее работы в сложных эксплуатационных условиях. В результате контроль параметров спектров токов поляризации предоставляет широкие возможности для создания диагностических систем высокого уровня.
-
Установлена адекватность значений комплексного показателя качества Q(X) = ^aiXi изоляционного промежутка значениям его комплексного
показателя изношенности Q(t) = ^aiIi, представляющим, по существу, свертку
спектра токов поляризации (Хі - относительная величина і-го параметра контроля промежутка, a It - значения тока поляризации в i-ые моменты времени), которая упрощает анализ спектров тока поляризации и расширяет возможности предлагаемых в работе методов диагностирования состояния контролируемого оборудования.
5. Разработаны методы обработки и анализа получаемой на опыте
информации, обеспечивающие физическую обоснованность, надежность и
достоверность получаемых оценок состояния контролируемого оборудования:
метод диагностики силовых трансформаторов на основе рангового распределения значений обобщенного индекса поляризации tpi позволяет определить объекты в составе техноценоза, имеющие аномальные значения контролируемого параметра;
метод реперных кривых позволяет сформировать представление о состоянии контролируемого оборудования и величине его ресурса;
- метод назначенного лидера, включающий в себя модернизованный в
работе метод структурирования функций качества, позволяет оценить степень
близости спектра тока поляризации контролируемого изоляционного
промежутка его аналогу;
- метод скользящего среднего позволяет провести разграничение
исследуемых трансформаторов по скорости их старения и оценить величину
оставшегося ресурса работы контролируемого оборудования;
- метод треугольника состояний позволяет идентифицировать физическую
природу обнаруженного дефекта изоляционной системы;
- метод анализа разрядной активности контролируемого промежутка
позволяет по интенсивности разрядов в контролируемом изоляционном
промежутке судить о степени опасности структурного нарушения;
Достоверность полученных результатов. Сформулированные в работе основные положения и выводы имеют достаточное теоретическое обоснование, не противоречат используемой физической модели (двухслойного конденсатора Максвелла), раскрывающей все многообразие явлений, развивающихся в изоляционном промежутке, и базируются на обширном экспериментальном материале, отражающем многолетний опыт эксплуатации маслонаполненного оборудования. Точность измерения плотности тока, протекающего в изоляционном промежутке, (±5%) и построение спектров токов поляризации гарантируется применением контрольно-измерительного оборудования (С.А6547), имеющего российский и зарубежный сертификаты.
Математические модели, представленные в работе в виде системы регрессионных уравнений, устанавливающие функциональную взаимосвязь между параметрами контроля, хорошо детерминированы. Коэффициент детерминации во всех случаях был не меньше R = 0,85. Система уточняющих и подтверждающих процедур, использующая хорошо детерминированные математические модели, обеспечивает возможность контроля степени соответствия процессов, развивающихся в контролируемом изоляционном промежутке, принятой в работе физической модели и тем самым повышает обоснованность и достоверность получаемых оценок состояния контролируемого оборудования.
Практическая значимость работы. Метод оценки состояния высоковольтного маслонаполненного оборудования, основанного на измерении и анализе плотности тока поляризации и изменении его во времени, представлен в работе в виде законченного решения сложной научно-технической проблемы, связанной с обеспечением надежности длительной эксплуатации состарившегося оборудования. Отличительная особенность данного метода заключается в том, что под непосредственным инструментальным контролем находятся свойства и состояния, как жидкого диэлектрика (трансформаторного масла), так и твердого диэлектрика, что существенным образом расширяет диагностические возможности метода по сравнению с существующими.
Предложенные в работе методы и способы выделения временной области, в которой развиваются процессы структурной поляризации, обусловленные накоплением носителей электрического заряда на границе раздела масло-твердый диэлектрик, построение спектра токов поляризации и
разложение на составляющие его элементы позволяют контролировать природу, интенсивность и степень опасности развивающегося дефекта. К тому же получаемые числовые значения степени увлажненности твердой изоляции (W%), степени полимеризации целлюлозы - основной компоненты изоляционных бумаг (DP), величины оставшегося ресурса времени эксплуатации (7Ж) и интенсивности разрядной активности контролируемого промежутка дают непосредственное восприятие состояния объекта наблюдения и позволяют обоснованно сформулировать корректирующие мероприятия, реализация которых обеспечивает надежную эксплуатацию состарившегося оборудования. Все это и составляет физическую сущность современной парадигмы управления длительностью жизни состаренного маслонаполненного оборудования.
Разработанные и используемые в работе методы: метод непосредственного сопоставления спектров поляризации с аналогом (метод назначенного лидера), метод реперных кривых, метод треугольника состояний, метод скользящего среднего, метод структурирования функций качества (упрощенный его вариант), метод оценки разрядной активности изоляционного промежутка, органично входящие в структуру предложенного комплексного метода диагностики состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования, могут иметь и самостоятельное применение: при оценке качества поставляемого оборудования, качества его ремонта и при решении ряда других аналогичных задач.
Важной практической особенностью представленной работы является использование метода ранговых распределений, позволившего в качестве базы сравнения использовать весь накопленный опыт исследования состояния маслонаполненного оборудования. С этой целью имеющийся массив данных был представлен в виде ранжированного ряда значений контролируемого параметра, для каждого значения которого известен доверительный интервал с заданным уровнем доверительной вероятности Рд. Это позволило отказаться от применения уровней тревоги, значения которых рекомендованы в существующих РД и практика применения которых в целях диагностики силовых трансформаторов показала их низкую эффективность.
Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались: 2-я Международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томский политехнический университет, апрель 1996 г.; Международная научно-техническая конференция «Сертификация и управление качеством продукции», Брянский государственный технический университет, октябрь 1999 г.; Международная научно-техническая конференция «TQM - 99», Минск, 1999 г.; 10-я международная конференция по менеджменту качества, «TQM -2000»,
Москва, май 2000 г.; Международная научно-техническая конференция «Сертификация и управление качеством продукции». Брянск, май 2002 г.; V-ая Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты», ІСЕМС-2004. Крым, Алушта, 2002, 2006, 2008 г.г.; Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы энерготехнологии». Иваново, 2007, 2009, 2011 г.г.; Международный семинар «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», МЭИ, Москва, 2007г.; VII - ая Международная научно-практическая конференция «Электроизоляционные материалы и системы изоляции вращающихся электрических машин - 2009», п. Бекасово, Наро-Фоминский район, Московская область, май 2009 г.; IV-ая Международная научно-техническая конференция «Силовые трансформаторы и системы диагностики», международная ассоциация ТРАВЭК, Москва, июнь, 2009 г.; 3-я Международная научно-техническая конференция «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», Белор.-Росс. университет, Могилев, октябрь 2009 г.; Международная научно-техническая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», МЭИ, Москва, июнь 2010 г.; Научно-практическая конференция и семинар по темам «Современное состояние и проблемы разработки и внедрение нормативно-технической документации по диагностированию силового электрооборудования» и «Общие проблемы диагностирования силового электрооборудования», УрЦОТЭ, г.Пермь, сентябрь 2011 г.; Материалы докладов Международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 2011г.; 2-я Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», НИУ МЭИ, Москва, июнь 2012 г.; Материалы 18-го пленарного заседания Общественного Совета специалистов по диагностике силового электрооборудования по теме «Анализ эффективности методов средств диагностирования силового электрооборудования», УрЦОТЭ, Свердловская обл., г. Среднеуральск, сентябрь 2012 г.
Публикации. Результаты исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 35-и опубликованных работах, из которых 11 входят в список изданий, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций, в том числе патент РФ, и заявки на получение патентов РФ.
Личный вклад автора. Изложенные в диссертации результаты исследований являются частью работ, выполняемых по одному из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ -
«Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика»,
затрагивающих вопросы повышения надежности и устойчивости функционирования энергетических устройств, в которых автор лично принимал участие.
В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит: подбор и анализ имеющейся информации, составление литературного обзора по материалам отечественной и зарубежной литературы, формирование основных принципов управления временем жизни маслонаполненных трансформаторов, постановка задач, разработка теоретических и методологических положений, составление программ проведения лабораторных и полевых испытаний эксплуатируемого оборудования, разработка алгоритмов диагностики состояния, анализ результатов исследований и разработка практических рекомендаций.
Внедрение результатов работы. Предложенные в данной работе методы диагностики оценки состояния изоляционных промежутков маслонаполненных трансформаторов, находящихся в эксплуатации длительное время, были использованы на протяжении последних семи лет в филиалах ОАО «МРСК Центра» - «Смоленскэнерго», «Брянскэнерго», ОАО «Московская объединенная электросетевая компания», а также используются на предприятии ОАО «Свердловэнергоремонт», что подтверждается предоставленными отзывами о результатах работы, актом об оказании услуг по диагностике изоляции высоковольтного электрооборудования и экспертными заключениями по результатам материалов проекта: «Разработка методики управления временем жизни маслонаполненного энергетического оборудования с помощью формирования спектров токов поляризации изоляционных промежутков контролируемого оборудования».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 374 страницах основного текста и состоит из введения, шести глав, заключения, 5 приложений, содержит 146 рисунков, 43 таблицы, 299 наименований литературных источников.
