Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и системы контроля технического состояния силовых трансформаторов 11
1.1. Обзор методов и систем контроля технического состояния силовых трансформаторов 11
1.2. Методы и системы контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов 25
1.3. Постановка задачи разработки методов и систем контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов 29
ГЛАВА 2. Косвенные методы повышения точности контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов 31
2.1. Метод оценки амплитудно-частотных характеристик обмоток силовых трансформаторов на основе формирования тестового сигнала из рабочего напряжения и без вывода трансформатора из эксплуатации 31
2.2. Метод оценки амплитудно-частотной характеристики через спектр подавляемых частот 39
ГЛАВА 3. Прямые методы повышения точности контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов 47
3.1. Сравнительный анализ прямого и косвенного методов контроля динамических характеристик 47
3.2. Метод контроля динамических характеристик на основе учета динамических искажений : 53
3.3. Системы измерения и анализа динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов 57
3.4. Метод контроля динамических характеристик обмоток фаз силового трансформатора на основе их пофазного сравнения 61
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование технического состояния обмоток трансформаторов методом пофазного сравнения и влияния количества кз витков на вид и параметры АЧХ 64
4.1. Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов... 64
4.2. Методика обработки экспериментальных данных 67
Заключение 94
Список литературы
- Методы и системы контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов
- Метод оценки амплитудно-частотной характеристики через спектр подавляемых частот
- Метод контроля динамических характеристик на основе учета динамических искажений
- Методика обработки экспериментальных данных
Введение к работе
Недостаточность инвестиций в последнее десятилетие в строительство, реконструкцию и техническое перевооружение электрических сетей и станций привело их к резкому старению, увеличению доли высоковольтного оборудования, срок службы которого превышает 25-30 лет [4, 57]. В частности около 40% масляных и воздушных выключателей напряжением 110-220 кВ к настоящему времени отработали расчетный, установленный нормативными документами срок. Из общего количества трансформаторов напряжением 220 и 110 кВ отработали нормативный срок - 30%, подлежат срочной замене - 4%.
Общая мощность подстанций 110-750 кВ, оборудование которых уже выработало расчетный ресурс, составляет около 30% действующих мощностей и удвоится к 2015 году. Сложившаяся ситуация требует принятия незамедлительных мер, которые предусматриваются программой, подготовленной Департаментом электрических сетей РАО ЕЭС России.
В соответствии с этой программой принятие решения по замене оборудования должно основываться на результатах постоянного контроля за его техническим состоянием в эксплуатации и оценке его физического ресурса. Внедрение современных средств и методик контроля технического состояния позволит принимать правильные решения о необходимости проведения ревизий и предупредительных ремонтов, а также решений о продолжении сроков эксплуатации оборудования с истекшим сроком службы на базе более точного определения остаточного физического ресурса [3,7,23,27].
Авторы [62] обследовали более 200 трансформаторов со сроком службы более 25 лет. В результате установлено: незамедлительного вывода из работы требуют менее 2% трансформаторов, около 23% требуют срочного капитального ремонта активной части, около 35% требовали незначительных ремонтных работ или учащенного контроля некоторых диагностических параметров, остальные могли эксплуатироваться без ограничений. Своевременное проведение капитальных ремонтов продлевают срок службы трансформатора. Однако авторы [62] отмечают, что необоснованное решение о проведении капитального ремонта, его объеме и технологии в лучшем случае приведет к неоправданным затратам, в худшем - к снижению надежности, ресурса и как следствие к отказам и значительным материальным затратам. Это вызвано тем, что ревизия активной части может приводить к снижению изоляционных характеристик в результате соприкосновения масла и твердой изоляции с неосушенным воздухом, образованию газовых пузырей при заливке масла в бак трансформатора без строгого выполнения требований РДИ-34-38-058-91 (и, следовательно, опасности перекрытия изоляции при включении трансформатора), случайному повреждению отдельных элементов, загрязнению активной части, а также попаданию посторонних предметов в бак трансформатора при недостаточной культуре работ и слабом контроле за ходом ревизии.
Автором [80] по данным актов расследования технологических нарушений был проведен анализ повреждаемости маслонаполненного оборудования (за период с 1996 г. по 2000 г.).
Доля технологических нарушений, приходящаяся на силовые трансформаторы, автотрансформаторы составила около 42%.
Распределение технологических нарушений по узлам следующее:
- вводы - 36,2%
- обмотки - 27,3%
- РПН-24,2%
- система охлаждения - 8,6%
- газовая защита - 3,7%.
Таким образом, большая часть технологических нарушений связана повреждениями маслонаполненных вводов, обмоток и устройств регулирования.
Распределение технологических нарушений силовых трансформаторов в зависимости от периода эксплуатации:
- до 10 лет-15%
- от 10 до 20 лет-30,2%
- от 20 до 30 лет - 29,3%
- от 30 до 40 лет - 17,6%
- свыше 40 лет — 8%.
Максимальное и примерно равное число технологических нарушений наблюдается в период второго и третьего десятилетия их эксплуатации. Вдвое меньший уровень повреждаемости трансформаторов в период первых десяти лет эксплуатации объясняется тем, что в это время в основном проявляются наиболее существенные заводские дефекты конструкции и изготовления, а также закладывается эксплуатационным персоналом технологическая база для резких снижений эксплуатационных характеристик и повреждений трансформаторов в последующие два десятилетия.
Наличие значительной доли числа повреждений в период четвертого и пятого десятилетия может свидетельствовать о возможности существенного продления срока эксплуатации трансформаторов при условии правильной и четкой организации их обслуживания, своевременного устранения дефектов и качественного полного выполнения диагностики и текущих ремонтов [43].
Распределение технологических нарушений на силовых трансформаторах по номинальному напряжению показывает, что почти половина приходится на трансформаторы ПО кВ.
На основании анализа технологических нарушений можно сделать вывод, что наибольшее внимание в ходе эксплуатации трансформаторов следует уделять состоянию вводов, обмоток и устройств РПН. Актуальность темы
Силовые трансформаторы являются одной из основных составляющих системы передачи и распределения электрической энергии. Надежная работа силового трансформатора определяется техническим состоянием всех его узлов и элементов, в том числе и обмоток.
При внезапных коротких замыканиях из-за больших электродинамических сил могут возникнуть недопустимо большие деформации витков обмотки, приводящие к выходу из строя трансформатора и, как следствие, к перерыву в
электроснабжении. Это сопровождается большим экономическим ущербом, как в энергосистеме, так и у потребителя электрической энергии.
Из известных методов определения технического состояния обмоток силовых трансформаторов по их динамическим характеристикам наиболее перспективными являются метод низковольтных импульсов и метод частотных характеристик. Метод низковольтных импульсов основан на контроле токов переходного процесса в обмотке при воздействии на нее кратковременного импульса напряжения. Так как ток переходного процесса зависит от амплитуды и формы импульса, точность метода невелика. В методе частотных характеристик в качестве тестового сигнала используется моногармонический сигнал со сканирующей частотой. При контроле динамических характеристик данным методом возникают динамические искажения, приводящие к погрешностям, зависящим от скорости сканирования, уменьшающие точность.
Таким образом, из-за невысокой точности контроля динамических характеристик достоверность оценки технического состояния обмоток оба метода дают невысокую. Поэтому возникает актуальная задача повышения точности контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов для увеличения достоверности оценки их технического состояния. Цель работы
Повышение точности контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов на основе разработки эффективных методов их оценивания для увеличения достоверности определения технического состояния. Общая задача
Разработка экспериментально-расчетных методов контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов на основе коррекции динамических искажений и спектрального анализа откликов на тестовые сигналы. Частные задачи:
- выбор и обоснование тестового сигнала для оценки динамических характеристик обмоток силового трансформатора;
- увеличение точности оценивания динамических характеристик обмоток силового трансформатора импульсным методом за счет коррекции спектра тестового сигнала;
- разработка метода контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора на основе анализа спектра подавляемых частот;
- разработка метода контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора на основе учета динамических искажений;
- разработка модифицированного метода диагностики обмоток силового трансформатора на основе пофазного сравнения их динамических характеристик.
Методы исследований
Теоретические исследования базируются на современных методах спектрального анализа детерминированных и случайных процессов, теории линейных электрических цепей и теории погрешностей.
Научная новизна работы
- предложена модернизация импульсного метода контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора с коррекцией спектра тестового сигнала. Показано, что для повышения точности оценки динамических характеристик необходимо скорректировать спектр измеряемого тестового сигнала путем введения цепи коррекции в канал измерения с АЧХ, учитывающей спад в области верхних частот;
- разработан метод контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора на основе анализа спектра подавляемых частот. Установлено, что возможно увеличение точности АЧХ за счет замены оценки "провалов" в АЧХ соответствующей оценкой "всплесков" в спектре подавляемых частот;
- разработан метод контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора на основе учета динамических искажений. Получены соотношения, связывающие динамические параметры АЧХ со статическими;
предложен модифицированный метод диагностики обмоток силового трансформатора на основе пофазного сравнения их динамических характери . стик. Установлено, что при пофазном сравнении поврежденная фаза имеет существенное отличие АЧХ от АЧХ других фаз. Предложены диагностические признаки определения поврежденной обмотки;
- проведен сравнительный анализ прямого и косвенного методов получения оценок динамических характеристик по времени анализа в зависимости от методической погрешности. Установлено, что уменьшение времени анализа при прямом методе оценки АЧХ существенно для малых значений погрешности и широкой полосы пропускания.
Практическая ценность работы
Разработана методика модифицированного метода диагностики обмоток силового трансформатора на основе пофазного сравнения их динамических характеристик. Реализация результатов работы
Теоретические и практические результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре теоретических основ электротехники Казанского государственного энергетического университета и на кафедре электрооборудования Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева при подготовке специалистов по направлению "Электротехника, электромеханика и электротехнологии". Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Российском национальном симпозиуме по энергетике, Казань, 2001 и на 15-й Всероссийской межвузовской научно - технической конференции "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий", Казань, 2003. Структура и содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников литературы из 82 наименований и приложений. Она изложена на 106 страницах, содержит 22 рисунка и 26 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведлены научная новизна, структура диссертации, основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведены основные методы контроля технического состояния силовых трансформаторов и дефекты, выявляемые при соответствующем методе контроля: контроль изоляционных конструкций по составу газов, растворенных в масле, определение степени старения изоляции, метод частичных разрядов, а также методы определения деформации обмоток, сформулирована задача контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов при оценке их технического состояния.
Во второй главе рассматривается метод оценки АЧХ обмоток силовых трансформаторов на основе формирования тестового сигнала из рабочего напряжения без вывода трансформатора из эксплуатации, с помощью которого можно осуществлять либо непрерывный контроль за техническим состоянием обмоток, либо после каждого внезапного КЗ. Приводится также метод оценки АЧХ через спектр подавляемых частот, позволяющий более точно измерить участки характеристики типа «провал»
В третьей главе приводится сравнительный анализ прямого и косвенного методов контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов по продолжительности эксперимента. Показано, что прямой метод требует меньшей продолжительности при малых погрешностях и больших полосах пропускания. Рассматривается метод учета динамических искажений при гармонических тестовых сигналах со сканирующей частотой. Приводится моди фицированный метод контроля динамических характеристик обмоток трансформатора на основе их пофазного сравнения.
В четвертой главе приводятся результаты эксперимента, проведенного на трансформаторе ТМ63/10, построены АЧХ фаз при различных значениях КЗ витков первичной обмотки, представлены данные для определения средних и среднеквадратичных отклонений АЧХ фаз относительно друг друга, а также их значения для всех экспериментов.
В заключении изложены основные результаты работы. Научные положения, выносимые на защиту
На основе полученных в диссертационной работе результатов на защиту выносятся следующие научные положения:
- модернизированный импульсный метод контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора с коррекцией спектра тестового сигнала;
- метод контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора на основе анализа спектра подавляемых частот;
- метод контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора на основе учета динамических искажений;
- модифицированный метод диагностики обмоток силового трансформатора на основе пофазного сравнения их АЧХ;
- сравнительный анализ прямого и косвенного методов контроля динамических характеристик по продолжительности эксперимента;
- методика обработки экспериментальных данных пофазного сравнения АЧХ фаз.
Методы и системы контроля динамических характеристик обмоток силовых трансформаторов
Из всех рассмотренных в первом параграфе методов контроля технического состояния силовых трансформаторов будем рассматривать методы и системы контроля технического состояния обмоток, используя метод частотных характеристик. Как уже отмечалось, в этом случае результатом контроля является динамическая характеристика, а именно, амплитудно-частотная.
При экспериментальном исследовании динамических характеристик объекта решаются две взаимосвязанные задачи: выбор более целесообразного испытательного сигнала на входе системы и выбор эффективного метода анализа сигналов на входе и выходе. Сравнительными критериями такого выбора являются длительность, трудоемкость, энергоемкость и стоимость испытаний всех заданных объектов без нарушения их работоспособности, а так же длительность, стоимость и точность получения результатов обработки экспериментальной информации. Применение того или иного метода обработки результатов испытаний тесно связано с выбором вида тест-сигнала, подаваемого на вход объекта. В табл. 1.2 представлены существующие виды входных воздействий. Отметим, что уровни входного воздействия на выходе системы не имеют существенного значения, их выбирают произвольно в пределах линейности объекта, но по возможности намного выше уровня помех. [29,30].
Импульсное воздействие. Реальное импульсное (ударное) воздействие возбуждает в колебательной системе сложные затухающие колебания. При этом вынужденный переходный режим, спустя некоторое время, равное длительности действия ударного импульса, прекращается, и система далее совершает свободные колебания. Длительность действия ударного импульса является важнейшей характеристикой, которая определяет ширину спектра этого импульса. Идеализацией короткого по времени импульсного воздействия является дельта-функция. Обычно принимается, что импульс можно отнести к дельта-функции, если за время действия в системе не произошло никаких существенных изменений, т. е. если спектр импульса в диапазоне частот, куда входят все существенные собственные частоты системы, является практически равномерным.
При импульсном испытании колебательных систем представляет интерес возможность оценки динамических характеристик системы только на основе измерения и анализа реакции на выходе. Отказ от необходимости измерения входного воздействия возможен благодаря малой длительности действия импульса по сравнению с длительностью процесса свободных колебаний. При этом реакция на выходе, наблюдаемая с момента исчезновения импульса, представляет собой импульсную характеристику системы при некоторых начальных условиях. Весьма короткий импульс, имеющий равномерный спектр в большом диапазоне частот, включающем основные резонансные частоты испытуемой системы, дает в знаменателе формулы вычисления АЧХ практически постоянную величину, определяемую энергией импульса. Поэтому исключение знаменателя как константы не изменит формы АЧХ системы, а сделает ее безразмерной.
Для того чтобы на практике обоснованно отказаться от измерения и анализа импульса на входе, достаточно обеспечить величину длительности импульса, независимо от его формы, не более (0,05 —0,1) /о , где То — высшая собственная частота системы.
Моногармоническое воздействие со сканирующей частотой. Использование моногармонического входного воздействия является наиболее распространенным способом испытания колебательных систем. Подавая на вход системы моногармоническое воздействие известной частоты и измеряя отношение амплитуд и сдвиг фаз между выходным установившимся колебательным процессом и входным воздействием, можно получить экспериментальные частотные характеристики системы. Заданный диапазон частот исследуемого объекта, как правило, проходят при непрерывном изменении (сканировании) частоты входного сигнала во времени. При этом весьма важным является рациональный выбор скорости и соответствующего закона сканирования частоты сигнала, поскольку слишком высокая скорость вызывает неприемлемые искажения частотных характеристик системы, а чрезмерно низкая может недопустимо увеличить длительность испытаний.
Для выбора и обоснования соответствующего закона сканирования частоты во времени необходимо в первую очередь задаться критериями, позволяющими оценить качество этого закона. Очевидно, что основным таким критерием является длительность развертки частоты при заданной точности и разрешающая способности анализа. Обеспечение минимально возможной длительности развертки особенно важно в случае проведения испытаний, ограниченных во времени. Минимальная длительность развертки соответствует максимально возможной скорости сканирования частоты в каждой точке частотного диапазона. Однако, скорость сканирования частоты должна быть достаточно низкой, чтобы исключить влияние переходных процессов и обеспечить получение результатов с заданной точностью, используя всю информацию, содержащуюся на каждом этапе анализа. Следовательно, дополнительно к основному ограничению максимальной скорости сканирования необходимо рассмотреть ограничение, которое выражается отношением величины участка частотного диапазона к длительности этапа анализа, обеспечивающего заданного разрешения точность на этом участке.
Случайное узкополосное воздействие со сканирующей центральной частотой. Случайное внешнее воздействие на систему в большей степени приближает условия испытаний к реальным условиям ее функционирования. Возбуждение случайных колебаний в определенной частотной полосе при случайном характере вынужденного движения системы позволяет весьма точно оценить уровень наблюдаемых процессов на входе и выходе, сократить длительность развертки частоты по сравнению с гармоническим воздействием, а также уменьшить мощность возбуждения по сравнению с широкополосным воздействием. Для анализа таких сигналов применяют соответствующие спектральные плотности.
Метод оценки амплитудно-частотной характеристики через спектр подавляемых частот
В главе рассматриваются прямые и косвенные методы оценки динамических характеристик, в основе которых используется связь между динамическими характеристиками электрических трактов и спектрами сигналов на их входе и выходе. Анализируются различные виды возбуждающих сигналов, их достоинства и недостатки. Предлагается и исследуется новый прямой метод оценки, позволяющий существенно уменьшить динамическую составляющую погрешности за счет оценки и учета динамических искажений. Рассматривается системы для измерения и анализа динамических характеристик, а также погрешности получаемых оценок [2,8,9,49,54].
При исследовании динамических характеристик различных объектов, в том числе силовых трансформаторов, наряду с известными косвенными методами оценивания, рассмотренных во второй главе, используются прямые. Основой оценивания динамических характеристик косвенными методами является зависимость вида: Свых(со)=Со э2И (3-1) где Кэ((а) - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) исследуемого электрического тракта; GBblx((o) — спектр на выходе тракта (в точке контроля); Go - спектр сигнала на входе тракта. При равномерном и известном Go вид Свых(о ) определяется лишь Л э(со), поэтому для получения текущей оценки Кэ((й) достаточно оценить (7ВЬІХ(сй). В этом заключается косвенный метод оценки Кэ((я) через функционально связанную с ней оценку GBb]X(o). Измерение АЧХ электрического тракта, как известно, возможно двумя методами: - с использованием специальных текстовых сигналов, например, гармонического сигнала с перестройкой частоты во всем рабочем диапазоне частот; - с использованием собственных электрических сигналов, генерируемых внутренними источниками исследуемых объектов.
В первом случае качество оценки Кэ((о) определяется, как известно [70], динамическими искажениями из-за конечной скорости сканирования А, гармонического сигнала и вида Кэ((о). Этот метод оценки требует дополнительных источников электрических колебаний, а также принципиальную возможность подключения выхода источника электрических колебаний на вход оцениваемого тракта, что далеко не всегда возможно. Следует отметить, что в качестве источника электрических воздействий для измерения АЧХ электрического тракта могут использоваться импульсные воздействия (однократные, многократные), случайный узкополосный процесс со сканирующей центральной частотой, случайный широкополосный процесс. При этом возможны различные варианты методов анализа сигналов на входе и выходе исследуемой динамической системы [45]. Достоинства и недостатки различных вариантов методов возбуждения и анализа представлены в табл. 3.1.
1 Импульсный Малая Низкая (однократный, длительность точность многократный) испытаний, малая мощность возбуждения Продолжение табл. 3.1
2 Моногармониче Высокая большое время ДС=ц2 ский со точность, испытания, Б=2ц сканирующей частотой возможность оценки большая мощность AS=2,5 i АХЦ" 2(OQ d коэффициента возбуждения нелинейных искожений
3 Случайный Приближение к Случайная V27T узкополосный со реальным погрешность, VAffla -та сканирующей центральной условиям функционирова- большая мощность 47Г частотой ния возбуждения СГ(со)х—т г G(co)
4 Случайный широкополос- Малая длительность Случайная погрешность, л/2яр — ст і л/А ва-Го ный испытания большая мощность 4тГ возбуждения " Ф)
5 Полигармоничес Малая Низкая Погрешность кий длительность разрешающая разрешения по испытаний. Простота способность по частоте, частоте реализации (в сложность цифровом реализации в варианте) аналоговом варианте При использовании собственных электрических процессов для оценки динамических свойств в виде Кэ( х ) требуется оценить входной и выходной процессы, например в виде входного и выходного спектров Сгвх.(со) и С7вых.(со) соответственно. В этом случае оценка Кэ( со ) Кэ2((о) = GBbIx.(co)/GBX.(co) (3.2)
Точность получаемой оценки Кэ(со) в этом случае будет определяться точностью получения оценок GBX.() И ВЫХ.(Ю)- ДЛЯ получения оценок спектров GBX.(o) и ( вых.С03) используются традиционные анализаторы с присущими им методическими погрешностями: случайной и смещения [68]. Наряду с присущими каждому методу погрешностями следует также иметь ввиду, что тестовые сигналы далеко не всегда возможны использовать и, кроме того, в отдельных случаях тестовые сигналы могут нарушить нормальный режим работы исследуемого объекта. Поэтому в каждом частном случае следует выбирать метод оценки динамических характеристик с учетом особенностей объекта и условий испытаний.
Интересно сравнить потенциальные возможности двух рассмотренных методов оценки динамических характеристик: косвенного с применением традиционного спектрального анализа и прямого с применением гармонического тестового сигнала [14]. Для этого представим спектр анализируемого сигнала в виде Г м I2 G(co)= К0+ Е тФшО ю) , (3.3) т=\ где фш(/со) — функция, описывающая неравномерность АЧХ исследуемого тракта; Кт - коэффициент, характеризующий уровень неравномерности; Ко -средний уровень АЧХ исследуемого тракта.
Метод контроля динамических характеристик на основе учета динамических искажений
Представленные в разделе 3.1. (табл. 3.1.) различные варианты методов возбуждения электрических колебаний в исследуемых трактах, а также соответствующие им методы анализа откликов, требуют дополнительного рассмотрения с точки зрения погрешности получаемых оценок динамических характеристик. Следует отметить, что к динамическим характеристикам в данной работе, прежде всего, относятся амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотные (ФЧХ) характеристики.
На рисунке 3.5 представлена обобщенная структурная схема системы косвенной оценки АФЧХ электрического тракта. В соответствии с табл. 3.1 имеются пять различных генераторов: - генератор гармонического сигнала (ГГС) с перестраиваемой частотой во всем исследуемом диапазоне; - генератор импульсного сигнала (ГИС), на выходе которого формируется последовательность импульсов с заданными параметрами (по длительности Т, форме Ф, амплитуде А и скважности Q); - генератор случайного узкополосного сигнала (ГСУС), центральная частота которого перестраивается во всем исследуемом диапазоне частот; - генератор случайного широкополосного сигнала (ГСШС), спектральная плотность мощности Go которого равномерна в рабочем диапазоне частот; - генератор полигармонического сигнала.
Коммутатор (К) управляется с блока управления (БУ) и выборочно, в зависимости от сигнала управления с БУ, подключает выходы генераторов к входу исследуемого электрического тракта. Электрический сигнал поступает на вход блока анализа и вычисления (БАиВ). Выбор соответствующего генератора осуществляется испытателем в зависимости требований, условий и имеющихся средств анализа и обработки. Рассматриваемые методы оценки динамических характеристик электрических трактов основаны, как отмечалось ранее, на известной связи входных и выходных сигналах. Такой подход, когда измеряются и анализируются реальные входные воздействия практически всегда способствует повышению точности получения динамических характеристик конструкции, поскольку позволяет оказаться от априорных допущений.
Обычно для экспериментальных исследований динамических характеристик применяются разомкнутые системы управления испытаниями, когда получаемая информация о динамических характеристиках объекта не используется для управления или коррекции испытаниями.
Как уже отмечалось, при исследовании динамических характеристик решаются две взаимосвязанные задачи: - выбор испытательного сигнала наиболее целесообразного для данного объекта; - выбор эффективного метода анализа сигналов на входе и выходе.
Критериями выбора являются такие параметры как погрешность измерения, длительность испытаний, трудоемкость и стоимость испытаний. Следует отметить, что уровни входных сигналов выбираются из соображения их собственного превышения над уровнями помех и пределами линейности объекта.
Применение моногармонического сигнала в качестве входного воздействия является наиболее распространенным способом контроля. При этом заданный диапазон частот проходят при непрерывном изменении частоты входного сигнала. Наиболее существенными параметрами при этом являются выбор скорости и закона сканирования частоты входного сигнала. Как известно, при изменении частоты сигнала по линейному закону j\t) f +Xt параметры, характеризующие неравномерность АЧХ зависят от скорости 2 сканирования. Так, максимум динамической АЧХ уменьшается в (1 — р. ) раз и сдвигается в направлении частоты на 2р., а ширина полосы частот 2 LI = динамической АЧХ расширяется в 2,5 р раз, где 2 /-2 ; /о - частота Jo собственных колебаний, 5 - логарифмический декремент затухания. Используя приведенные формулы и задаваясь, каким либо критерием можно оценить допустимую скорость и закон сканирования частоты. Так, если в качестве критерия выбрать допустимое расширение полосы частот динамической АЧХ, то допустимое изменение скорости сканирование равно где 8 - допустимое относительное изменение добротности, равное относительному изменению ширины динамической АЧХ.
Дополнительное ограничение на скорость сканирования получается, если учесть дополнительное разрешение по частоте А/ на і - м участке диапазона частот в виде: \ЦІ)\ А/І/ТІ, (3.14) где Г/— длительность этапа анализа, с. Тогда при постоянной скорости сканирования по частоте во всем диапазоне частот время анализа всей динамической АЧХ. AF та=т— (ЗЛ5 max где AF - исследуемый диапазон частот.
Применение импульсного входного воздействия имеет определенные преимущества, в частности, значительно уменьшается время анализа на заданном участке частот. При этом считается, что при импульсном воздействии длительность входного импульса достаточно мала и за время действия импульса в динамической системе не происходит никаких существенных изменений, т.е. спектр импульса в заданном диапазоне частот является практически равномерным. Это обстоятельство позволяет значительно упростить процесс измерения, исключив из рассмотрения входную цепь и измерение производить только на выходе динамической системы
Методика обработки экспериментальных данных
Применение в качестве входного воздействия случайных узкополосных сигналов в большей степени отражают в некоторых случаях реальные условия эксплуатации. Этот метод позволяет сократить по сравнению с гармоническим воздействием время испытаний, а также уменьшить мощность возбуждения по сравнению с широкополосным воздействием.
Использование для входного воздействия случайного широкополосного процесса позволяет еще в большей степени сократить время испытаний. Важным достоинством метода случайного широкополосного воздействия является то, что он позволяет определить динамические характеристики системы в ходе нормального функционирования без искусственного воздействия.
Как известно [61], для определения изменения геометрии обмоток, которое происходит в результате больших динамических усилий, возникающих при коротких замыканиях, используется следующий метод. При вводе трансформатора в работу снимают осциллограмму, которую называют нормограммой. В процессе эксплуатации снимается контрольная осциллограмма (дефектограмма). Изменение геометрии обмотки выявляется при сравнении дефектограммы с нормограммой [37]. Однако находящиеся в эксплуатации трансформаторы введены в работу десятки лет назад и нормограммы они не имеют.
Исследование, проведенное авторами [34] на большом количестве трансформаторов разной мощности и класса напряжения, показали, что обмотки разных фаз трансформатора обладают высокой идентичностью. Это позволяет изменение геометрии обмоток определять сравнением друг с другом осциллограмм токов переходного процесса в обмотках фаз при подаче на них низковольтного импульса. Поврежденной можно считать обмотку фазы, отличие осциллограммы тока переходного процесса, которой от других является наибольшим и превышает допустимые значения.
В работе предлагается пофазные сравнения осуществлять не сравнением осциллограмм токов переходного процесса обмоток фаз, а сравнением амплитудно-частотных характеристик К((о). В качестве сравниваемых параметров используются [68]:
1. Разработан метод контроля динамических характеристик обмоток силового трансформатора на основе учета динамических искажений. 2. Получены соотношения, связывающие динамические параметры АЧХ со статическими. 3. Предложен модифицированный метод диагностики обмоток силового трансформатора на основе пофазного сравнения их динамических характеристик. 4. Проведен сравнительный анализ прямого и косвенного методов получения оценок динамических характеристик по времени анализа в зависимости от методической погрешности. 5. Установлено, что уменьшение времени анализа при прямом методе оценке АЧХ существенно для малых значений погрешности и широкой полосы пропускания.
В качестве объекта исследования был использован трансформатор ТМ63/10 со следующими паспортными данными: - номинальное напряжение обмотки ВН - 10 кВ; - номинальное напряжение обмотки НН - 0,4 кВ; - напряжение короткого замыкания - 4,4%; - ток холостого хода - 2,8%; - потери холостого хода при номинальном напряжении - 0,265 кВт; - потери короткого замыкания при номинальном токе - 1,28 кВт. Схема измерений приведена на рис. 4.1. 1 2 4 Рис. 4.1 1 - генератор синусоидального напряжения ГЗ-102, 2 - исследуемый трансформатор, 3,4 - осциллографы С1-68. С каждой фазы трансформатора были сняты амплитудно-частотные характеристики. Измерения производились следующим образом. На первичную обмотку (отвод UH0M ) трансформатора фазы А подавалось входное напряжение /вх, а со вторичной снималось выходное напряжение UBUX. Затем определялось отношение где - t/вых = п вых п = 0 02 - коэффициент передачи трансформаторов Изменяя частоту с 20 кГц до 200 кГц с шагом 10 кГц измерялось входное напряжение и определялись точки АЧХ для всего диапазона. Аналогичные измерения были проведены для фаз В и С и рассчитывалилб АЧХ этих фаз. Результаты измерений и расчетов сведены в табл. 4.1.
