Введение к работе
Актуальность проблемы. Надежность работы силовых трансформаторов в значительной степени определяет надежность работы любой электроэнергетической системы. Аварии трансформаторов, как правило, сопровождаются значительными материальными потерями, а некоторые из них могут квалифицироваться только как катастрофы. В последнее время актуальность данной проблемы еще больше обострилась в связи с существенным возрастанием числа трансформаторов, отслуживших свой нормативный срок или близких к тгому. Опасность возрастания аварийности оборудования в этих условиях определяет резкое повышение роли технической диагностики, как важнейшего инструмента обеспечения функциональной надежности трансформаторов.
В соответствии с возрастающими потребностями практики приоритетное развитие в настоящий момент приобрела функциональная диагностика, связанная с оценкой состояния трансформаторов непосредственно в рабочих режимах. Помимо предупреждения возможных аварий функциональное назначение этого направления заключается также в уменьшении числа профилактических остановок, снижающих эффективность работы оборудования. Повышенная сложность задач функциональной диагностики, обусловленная ограниченностью доступной диагностической информации, повышенными требованиями к точности, быстродействию и помехозащищенности диагностических методов и средств, предъявляет более высокие, чем ранее, требования к глубине проработки теоретических аспектов проблемы. Кроме того, характерная тенденция к созданию диагностических систем, объединяющих, различные методы контроля состояния трансформаторов в единое целое, диктует необходимость создания системных основ для такого объединения.
В этой связи весьма перспективным выглядит использование достижений современной теории электрических цепей (в частности, диагностики электрических цепей), развитой в работах Бутырина П.А., Данилова Л.В., Демирчяна К.С., Киншта Н.В., Петренко А.И., Пухова Г.Е., Ракитского Ю.В., Сигорского В.П., Шакирова М.А., Бедросиана С.Д., Ройтмана Л.М., Свами М.Н.С., Филипова Е. и других. Здесь привлекательными моментами являются, во-первых, развитый и апробированный математический аппарат, во-вторых, возможность использования привычных инженерам моделей и языка их описания и, в-третьих, наличие многообразных физических аналогий электрическим процессам (электротепловая, электромеханическая и т.п.), позволяющих широко использовать теоретико-цепной подход.
Одними из наиболее информативных показателей состояния трансформаторов являются их электромагнитные параметры (параметры холостого хода, короткого замыкания, активные и индуктивные сопротивления и др.). Однако насущная задача контроля этих величин под нагрузкой не имеет до настоящего момента удовлетворительного решения.
Таким образом разработка методов диагностики электромагнитных параметров трансформаторов является весьма актуальной задачей. Помимо сказанного актуальность темы диссертации определяется ее связью с направлением 2.1. общеакадемической (РАН) программы фундаментальных исследований по коренному повышению эффективности энергосистем, а также с направлением деятельности рабочей группы 12-18 "Life management of transformers" Международной комиссии по большим электрическим системам (СИГРЭ).
Целью диссертации является разработка теоретических основ диагностики электромагнитных параметров трансформаторов.
Достижение поставленной цели связывается в диссертации с решением следующих задач.
1. Анализ существующих математических моделей трансформаторов и выбор на этой основе их диагностических моделей.
2. Разработка новых диагностических моделей для тестовой и функциональной диагностики электромагнитных параметров трансформаторов.
3. Разработка методов тестовой и функциональной диагностики
электромагнитных параметров трансформаторов
с учетом нелинейности объектов;
в условиях несинусоидальности токов и напряжений;
в условиях информационной недостаточности;
при различном числе обмоток и фаз;
при повышенных требованиях к быстродействию.
4. Разработка диагностических моделей и методов диагностики
магнитных систем трансформаторов.
5. Разработка методов идентификации дефектов трансформаторов, в том числе,
разработка подхода к формированию взвешенных (небулевых) мат риц диагностирования при недостатке статистических данных; разработка математических моделей основных дефектов трансфер маторов. 6. Разработка на основе схем замещения электрической и магнитной цепей трансформатора и методов их диагностики принципов автоматизации процесса проектирования трансформаторов.
При решении перечисленных задач используются методы теории электрических цепей, линейной алгебры, теории распознавания образов и теории чувствительности.
Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем.
1. Разработаны цепные нелинейные диагностические модели трансформаторов и различные математические формы их представления.
Получены точные и приближенные описания, а также определены области применимости различных моделей.
2. Сформулировано понятие электромагнитных параметров трансформаторов. Разработаны методы диагностики электромагнитных параметров в тестовых и функциональных режимах с учетом нелинейности объектов. Разработаны методы согласования данных разных режимов при наличии, недостатке и отсутствии априорной информации о параметрах трансформаторов.
3. Впервые выполнен сравнительный анализ обусловленности диагностических моделей трансформаторов. Получены аналитические выражения для чисел обусловленности разных моделей, позволяющие осуществлять выбор лучшей модели. На основе полученных оценок разработан метод отбора данных измерений для формирования систем уравнений с лучшей обусловленностью.
4. Впервые поставлена задача диагностики состояния магнитных систем трансформаторов с учетом малоизвестного явления магнито-контурных токов. Разработаны цепные диагностические модели магнитных систем, более адекватные рассматриваемым объектам, чем применяемые ранее. Разработаны методы диагностики магнитных систем, позволяющие точнее оценивать их состояние.
5. Разработан новый подход к формированию взвешенной матрицы лиш посшроиания, основанный на методах теории чувствительности, не требующий накопления статистических данных. Подход проиллюстрирован на примерах наиболее распространенных дефектов трансформаторов, для которых разработаны математические модели.
6. Предложены принципы формализации выбора начального расчетного варианта при проектировании трансформаторов, позволяющие одновременно решать задачи оптимизации. Существенным отличием предложенного подхола от известных способов организации САПР трансформаторов является простота вычислительной части и
минимальное участие человека, ограничивающееся лишь вводом исходных данных.
7. Предложен подход к решению задач функциональной диагностики в условиях жестких требований к быстродействию, в режиме работы защит, основанный на использовании исследованных в диссертации проективных свойств мгновенных сопротивлений.
Практическая и научная ценность работы состоит:
1. В постановке ряда задач тестовой и функциональной диагностики
электромагнитных параметров трансформаторов как задач теории
электрических цепей,- что позволяет использовать для их решения глу
боко разработанный математический аппарат последней.
2. В более адекватном моделировании трансформаторов, позво
ляющем точнее решать задачи их диагностики и анализа режимов ра
боты.
3. В разработке теоретических основ диагностики электромагнитных параметров трансформаторов и создании на этой основе практических методов и алгоритмов их диагностики.
4. В формализации процедур получения начального проектного варианта при конструировании трансформаторов.
5, В разработке подхода к решению задач диагностики трансформаторов в условиях жесткого временного ограничения по реально доступной информации о мгновенных значениях токов и напряжений обмоток.
Положения, выносимые на защиту:
1. Диагностические модели трансформаторов, разработанные с уче
том нелинейности моделируемых объектов.
-
Аналитические выражения для оценки обусловленности матриц, входящих в диагностические модели трансформаторов.
-
Метод направленного формирования систем уравнений диагностики с улучшенной обусловленностью.
4. Методы согласования данных различных тестовых и функциональных режимов трансформаторов.
5. Метод функциональной диагностики трансформаторов в условиях несинусоидальности, основанный на методе временных ортогональных координат.
<>. Метод построения упрощенных диагностических моделей трансформаторов. Метод функциональной диагностики электромагнитных параметров трансформаторов по данным одного режима на основе упрощенных моделей.
7. Метод непрерывного мониторинга состояния трансформаторов на основе комбинации точных и приближенных методов их диагностики.
-
Подход к формированию взвешенных матриц диагностирования трансформаторов с помощью функций чувствительности.
-
Выражения для чувствительности электромагнитных параметров к замыканиям в обмотках и деформациям обмоток.
10. Диагностические модели магнитных систем трансформаторов, процедуры их формирования, методы тестовой диагностики магнитных систем с учетом явления магнито-контурных токов.
і 1. Подход к диагностике трансформаторов при повышенных требованиях к быстродействию.
Достоверность научных положений диссертации обусловливается корректностью исходных посылок и преобразований, использованием апробированного математического аппарата, логической обоснованностью выводов. Полученные результаты проверялись с помощью физических или вычислительных экспериментов, а также путем сопоставления с результатами расчетов по известным методикам и моделям.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях и семинарах Всесоюзного института траисформаторостроения (1982, 1983, 1987 гг.), на научных семинарах и заседаниях кафедр Московского энергетического института (1984-86
гг.). Запорожского машиностроительного института (1988 г.), на семинаре школы молодых ученых и специалистов МЭИ (Москва, 1984 г.), на I! всесоюзной иаучио-техиическон конференции молодых специалистов по трансформаторостроению (Свердловск, 1984 г.), на VI Московской городской конференции молодых ученых и специалистов (Москва, 1985 і.), на VII и VIII Всесоюзных конференциях по трансформаторостроению (Запорожье, 1985, 1990 гг.), на научной конференции МЭИ (Москва, 1985 г.), на III Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам нелинейной электротехники (Киев, 1988 г.), на I Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Суздаль, 1994 г.), на Международном симпозиуме по проблемам диагностики и обслуживания трансформаторов (Запорожье, 1994 г.), на научно-технической конференции по трансформаторостроению (Запорожье, 1995 г.), на Международном семинаре по повышению надежности и эффективности контроля трансформаторов в эксплуатации (Запорожье, 1996 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 сгатьях и тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и содержит 237 страниц, включая 10 таблиц на 14 страницах и 32 рисунка на 27 страницах.
