Комплексное диагностическое моделирование параметров технического состояния силового трансформаторно-реакторного электрооборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

КОМПЛЕКСНОЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРНО-РЕАКТОРНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

ХРЕННИКОВ Александр Юрьевич

Самара - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Гольдштейн Валерий Геннадьевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Халилов Фирудин Халилович

доктор технических наук, профессор ВысоцкийВиталий Евгеньевич

доктор технических наук, профессор Назарычев Александр Николаевич

Ведущая организация - Федеральное государственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится" 29 " декабря 2009 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул., 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, тел.: (846) 278-44-96, факс: (846) 278-44-00, e-mail: krotkov@samgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04, кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Оценка фактического состояния силового электрооборудования по результатам диагностических измерений является на сегодняшний день очень сложной и актуальной задачей. Большая часть электрического оборудования для 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.

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 эксплуатационные 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.

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.

Определяется состав возможных эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ) на ЭУ, их энергетические, статистические и другие характеристики.

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.

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 мультипараметрических 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. электроустановка трансформатор силовой аварийность

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.

Разработаны диагностические модели для оценки технического состояния электроустановок ТРЭО.

На основе анализа аварийности построена структурная схема повреждений мощных электроустановок ТРЭО на примере силовых трансформаторов.

Разработаны диагностические модели накопления дефектов, повреждений и отказов ТРЭО.

Разработан диагностический подход к обоснованию оценки ресурсов электроустановок ТРЭО.

Предложены методы оценки технического состояния и структурного подхода к принятию технических решений при эксплуатации изношенного ТРЭО.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработаны теоретические и методические вопросы, которые подтверждены экспериментально и использованы в ходе технического обследования и диагностики 30 трансформаторов и реакторов при испытаниях на стойкость токам КЗ на Мощном испытательном стенде (МИС) в г. Тольятти, а также при обследовании более 110 трансформаторов в эксплуатации в энергосистемах.

2. Проведены исследования и расчеты величин установившегося и апериодического токов КЗ, которые показали возможность электродинамических испытаний на стойкость к токам КЗ на подстанциях 750 кВ «Белый Раст» и «Опытная».

3. На основе испытаний реакторов в различных режимах (испытания на нагрев, акустические испытания, испытания на стойкость при коротком замыкании - коммутационный режим КЗ и режим динамического тока КЗ) разработаны диагностические модели теплового состояния ТРЭО.

4. Получены практические данные о статике и динамике признаков оценки состояния, учитывающие условия функционирования ТРЭО, в ходе технического обследования и диагностики состояния ЭО электрических станций и подстанций методами контроля механического состояния обмоток, что позволило обнаружить различные повреждения у 8 силовых трансформаторов: ТРДН-32000/110, ТРДН-25000/110 и ТДН-15000/110и др.

5. Разработаны и внедрены современные способы оценки ТС, применяемые при диагностике ТРЭО, получены практические результаты и выявлены важные закономерности при испытаниях на стойкость токам КЗ.

6. По результатам работы выпущено более 52 отчетов и протоколов измерений, даны рекомендации для заводов-изготовителей по усилению конструкции обмоток; трансформаторы в эксплуатации с имеющимися повреждениями выведены из работы, сделаны заключения о ремонтопригодности и произведен их капитальный ремонт, что позволило избежать ущерба от перерывов электроснабжения потребителей.

7. Методы математической обработки результатов диагностических измерений и технические рекомендации, основанные на включенных в диссертацию разработках автора, внедрены на энергообъектах ОАО "Самараэнерго", на Жигулевской ГЭС, в энергопроизводстве ОАО АвтоВАЗ, на ОАО “Оскольский электрометаллургический комбинат”, в ОАО "Татэнерго" и на других электроэнергетических предприятиях.

8. Комплекс диагностических моделей силового ТРЭО внедрен в учебный процесс Самарского государственного технического университета, Санкт-Петербургского энергетического института повышения квалификации, института повышения квалификации госслужащих (г. Москва).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Комплексные диагностические модели для силовых электроустановок ТРЭО.

Структурная схема повреждений силовых трансформаторов на основе классификации ЭФВ и анализа аварийности силовых электроустановок ТРЭО.

Диагностические модели накопления дефектов, повреждений, отказов ТРЭО.

Диагностическая модель для оценки ресурсов электроустановок ТРЭО.

Комплекс методов оценки технического состояния для диагностики ТРЭО.

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 г.); 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.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, общим объемом 428 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даны определения актуальности и цели настоящей работы. На этой основе сформулированы задачи исследования и даны сведения о ее научной новизне и практической значимости. Кроме того, приводятся аргументы, подтверждающие достоверность результатов выполненных исследований, краткая информация об объектах исследования, использованных для этого методах и организациях, в которых происходило внедрение результатов исследований. Также приведены сведения об апробации работы на международных и всероссийских конференциях и семинарах, публикациях, в которых освещено содержание работы по существу и структуре диссертации.

В настоящее время в электроэнергетике и электротехнике большое внимание уделяется согласованию условий нормальной безаварийной и эффективной работы электроустановок, производящих, передающих, преобразующих и потребляющих электроэнергию при её надлежащем качестве. В процессе работы ЭУ подвергаются многочисленным внешним и внутренним электромагнитными 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.

В процессе эксплуатации названные ЭФВ проявляются в виде электромагнитных, механических, тепловых и других стационарных и ударных нагрузок, которые постоянно ухудшают эксплуатационные свойства ТРЭО и снижают его стойкость к ним, а также электрические, механические, термические характеристики и других технико - экономические показатели.

Вопросы эксплуатации, ресурсов, возникновения дефектов и повреждений ТРЭО рассматриваются на основе концепции диагностического моделирования. Диагностическая модель для электроустановки ТРЭО строится в виде системы характеристик и параметров, обеспечивающих с необходимой полнотой информацию о техническом состоянии конкретной электроустановки, и которые получили название диагностических признаков. Это - кибернетическая информационная модель, реализованная по принципу «черного ящика», с объектом, например с трансформатором, имеется только информационная связь, отсутствует непосредственная связь с физическими процессами, происходящими в ЭУ.

Вследствие растущей суммарной мощности одним из перспективных направлений снижения затрат от недоотпуска электроэнергии потребителям и повышения эффективности работы электросетевых предприятий является создание условий для безотказного функционирования силовых и измерительных трансформаторов (СТ и ИТ) и реакторов (РР). Для этого необходимо обеспечение их электромагнитной совместимости (ЭМС) с интенсивными внешними и внутренними электромагнитными воздействиями. Прежде всего, это относится к грозовым и коммутационным перенапряжениям, как наиболее существенным электромагнитным воздействиям, требующим наиболее пристального внимания.

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, построению диагностических моделей для ОТС ТРЭО.

В области теории и практики общих вопросов технического обследования, контроля, диагностики и испытаний на надежность электрооборудования электрических сетей, станций и подстанций автор опирался на работы Б.А. Алексеева, М.Е. Алпатова, А.В. Анцинова, В.Г. Аракеляна, В.В. Болотина, В.В. Бузаева, В.П. Васина, В.Г. Гольдштейна, В.Ю. Горшунова, А.П. Долина, А.А. Дробышевского, Б.В. Ефимова, Р.Г. Идиатуллина, Ю.С. Конова, В.В. Короленко, М.В. Костенко, Е.И. Левицкой, А.И. Лурье, М.Ю. Львова, Ю.Н. Львова, В.Ф. Могузова, А.Н. Назарычева, А.Г. Овсянникова, Ю.С. Пинталя, Е.А. Попова, В.А. Савельева, В.М. Салтыкова, В.В. Смекалова, В.В. Соколова, В.П. Степанова, Л.М. Сулеймановой, А.И. Таджибаева, Ф.Х. Халилова, Н.Н. Хубларова, О.А. Шлегеля, Л.М. Шницера и др.

Отказы в работе электроустановок ТРЭО определяются двумя главными обстоятельствами. Прежде всего, здесь следует назвать поток разнообразных эксплуатационных физических воздействий, как внутренних, происхождение которых определяется энергией, накопленной внутри названных электроустановок, так и внешних - от окружающей среды, в том числе и соседних электроэнергетических объектов. Здесь, прежде всего, надо выделить грозовые явления и температурные воздействия.

Классификация нарушений ЭМС по последствиям введена в новое поколение отечественных стандартов по ЭМС (ГОСТ 13109-97).Основные причины повреждений и отказов ТРЭО:

1. Конструктивные ошибки при изготовлении электроустановок ТРЭО на заводах-изготовителях.

2. Дефекты в конкретных узлах ТРЭО.

3. Попадание посторонних частиц внутрь трансформаторов и реакторов (влаги, металлической стружки от маслонасосов и т.д.).

4. Старение изоляции из-за длительной эксплуатации.

5. Воздействие токов КЗ на обмотки трансформатора или реактора.

6. Воздействие человеческого фактора, ошибки персонала.

7. Неправильная эксплуатация трансформаторов и реакторов, не в соответствии с нормативными документами.

Для исключения появления дефектов и возникновения повреждений в высоковольтном маслонаполненном ТРЭО необходимо неукоснительное выполнение следующих мероприятий:

1. Своевременная и правильная диагностика оборудования в соответствии с РД 34.45-51.300-97.

2. Специальная диагностика трансформаторов и реакторов, эксплуатируемых длительно, сверх нормативного срока эксплуатации 25 лет или работающих в «зоне риска» по параметрам, приведенным в ОНИЭ (РД 34.45-51.300-97).

3. Правильная эксплуатация ТРЭО в соответствии с НТД.

4. Замена устаревших, выработавших свой ресурс элементов ТРЭО (переключатели РПН, замена вводов, маслонасосов, вентиляторов системы охлаждения, подпрессовка обмоток, замена масла в ЭУ ЭКС).

Далее в первой главе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с происхождением, физическими процессами и последствиями повреждений активной части силовых трансформаторов и реакторов как наиболее часто повреждаемого и ответственного элемента электрической сети.

На основе проведенного анализа можно произвести классификацию повреждений активной части трансформаторов и реакторов по их происхождению. Ниже приводятся следующие основные виды повреждений и дефектов: развивающиеся повреждения - нагрев токоведущих соединений отводов, частичные разряды, нагрев элементов конструкции активной части, остаточные деформации обмоток; дефекты, являющиеся результатом износа - увлажнение, загрязнение твёрдыми примесями, газовые включения, старение; внезапные повреждения обмотки и изоляции, обусловленные скрытыми дефектами.

Данная классификация позволяет определить основные причины повреждений и дефектов для обмоток силовых трансформаторов и реакторов: повреждение высоковольтных вводов, коммутационные, грозовые и иные воздействия повышенных напряжений на изоляцию, внутренние замыкания обмоток вследствие недостаточной электродинамической стойкости обмоток при КЗ.

Классификация отказов по последствиям вследствие дефектов и повреждений приведена на рис.1 (по данными Л.М. Сулеймановой).

Математические модели процессов, определяющих износ и старение и, прежде всего, развития и накопления дефектов и повреждений, рассмотрены в данной главе. Так для ТРЭО по своему происхождению они в большом числе случаев имеют электромагнитную, электродинамическую и тепловую природу. Причины их возникновения - кратковременные или продолжительные воздействия динамических и стационарных перенапряжений, аномально больших токов в режимах перегрузок и коротких замыканий.

Модели накопления повреждений и износа электрооборудования, а также другие задачи определения ресурсов рассматриваются в данной работе. Значительный вклад в разработку этой проблемы сделан В.В. Болотиным для механических систем, подходы и методология которых могут быть использованы для решения названных выше задач применительно к ТРЭО.

Повреждения, накопленные в элементах электроустановок ТРЭО в процессе эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ), опишем с помощью скалярной функции времени D(t). Ограничим область определения функции D(t) на отрезке времени [0, 1]. При непрерывном времени для меры повреждений имеем дифференциальное уравнение

, (1)

в правой части которого стоит функция f(D,e) меры повреждений D и вектора ЭФВ e (effect-воздействие).

Процесс e(t) включает электрические, электродинамические (деформационные),температурные, химические и другие воздействия, влияющие на выработку ресурса. В простейшем случае это скалярный процесс e(t) изменения параметра, с точностью до которого заданы все внешние ЭФВ, действующие квазистатически.



Рис.1. Структурная схема видов повреждений электроустановок ТРЭО

В начальный момент t=0 мера повреждений имела значение D = 0. Время Т до исчерпания ресурса определим, решив обратную краевую задачу с граничными условиями

D (0)=0; D (T)=1. (2)

В случае, когда в качестве аргумента целесообразно использовать дискретное время, например, для циклических ЭФВ, например, при повторно кратковременных нагрузках СТ в системах электроснабжения циклических технологических процессов. За цикл примем отрезок времени, заключенный между двумя последовательными положительными пересечениями параметром ЭФВ некоторого среднего (в общем случае тоже переменного) уровня.

Каждый цикл охарактеризуем значениями следующих один за другим максимумов и минимумов параметра ЭФВ. Особую остроту эти режимы приобретают в случаях, связанных с аварийными отключениями одного СТ в двухтрансформаторной схеме. Образуем из совокупности этих значений вектор en.. К составляющим вектора en при необходимости добавим временные характеристики, например продолжительность цикла и параметры его спектрального состава.

Математической моделью таких смешанных ЭФВ может служить уравнение при самых разнообразных особенностях, свойствах и характеристиках его правой части и самого процесса ЭФВ e(t). В частности, в математическом представлении процесс e(t) может содержать особенности типа периодических, повторно-кратковременных блоков, а также разрывных описаний типа дельта-функции.

Ресурс T, определяемый из условия D (Т) = 1, существенно зависит от начального значения D 0. Это типично для случаев, когда выработка ресурса связана с ростом газовых включений в твердой изоляции или образованием и развитием частичных разрядов в ТРЭО. Роль D0 играет начальный размер газового включения или начального значения интенсивности ЧР, отнесенных к их предельным значениям. Правило линейного суммирования здесь непригодно.

Аналогичные результаты получим применительно к дискретному процессу ЭФВ. Мера повреждений в конце n-го цикла или блока ЭФВ:

D n= g (D пп).(3)

Здесь D пп - мера псевдоповреждения, вычисляемая по формуле:

.(4)

Необходимо, чтобы правая часть конечно-разностного уравнения была представлена в виде щ(D k - 1, ek)= щ1(щk - 1)щ2(ek), причем сумма ряда должна быть конечной при любых n (в том числе при n=1). Функция g (D пп) должна удовлетворять условию g(1) = 1, для чего достаточно провести перенормировку функций щ 1(D k-1 ) и щ 2(e k) в выражении для щ ( D k-1,e k).

Многостадийные модели отражают тот факт, что многие процессы накопления повреждений состоят из двух или большего числа стадий, каждая из которых протекает по своим законам. Типичная зависимость, представленная на рис. 2, состоящая из трех стадий, может быть интерпретирована, например, как изменение износа D при квазистационарных ЭФВ, например, в процессах обычной эксплуатации силовых трансформаторов в течение их полного срока жизни. Первая, начальная стадия - приработка. При значении t=Tb1(e) износ достигает значения D=D1, после чего наступает вторая стадия, в течение которой скорость изнашивания приблизительно постоянна. Большинство деталей вырабатывает свой ресурс именно на этой стадии. При t = Тb2(e) и D = D 2 начинается заключительная стадия - интенсивное изнашивание. Предельное состояние наступает при t = Tb3(e).

Рис. 2

Для этого состояния D = D=1. Если в качестве предельного принять состояние, соответствующее концу стадии установившегося изнашивания, процесс состоит из двух стадий. При этом следует принять D 2 = 1. Аналогичные зависимости можно построить для многих других видов накопления повреждений.

Во время эксплуатации ТРЭО подвергается ЭФВ, предыстория и протекание которых различны по природе и взаимным связям. Сюда можно отнести уже названные температурные ЭФВ, вызванные разнообразными токовыми нагрузками от текущих нормальных до режимов КЗ, а также перегревы стали, которые возникают при повышениях напряжения при малых нагрузках. С другой стороны, характерными являются ЭФВ, проявляющиеся при коммутационных и атмосферных перенапряжениях.

Для этих ситуаций целесообразно построение многостадийных моделей в сочетании с гипотезой об автомодельности для каждой стадии в отдельности, которые были предложены В.В. Болотиным для механических систем. С методической точки зрения эти модели при соответствующей адаптации могут быть использованы и при анализе накопления повреждений и дефектов ТРЭО.

Введя безразмерное время, отнесенное к продолжительности каждой стадии, зависимость D b(t) можно привести к виду

; (5)

Tb,k-1(e) < t Tbk(e); k=1, …, m .(6)

Здесь D k - 1иD k-- меры повреждений, соответствующие началу и завершению k-й стадии (D 0 = 0; D m = 1); и Tb,k(e) - моменты начала и завершения k-й стадии при e=const (Tb,k=0); g k(u) -- некоторые функции, описывающие закон накопления повреждений для каждой стадии. На эти функции накладываем те же условия, что и на функцию g(и).

Выполнив преобразования, аналогичные тем, которые были сделаны ранее, получим дифференциальное уравнение относительно меры повреждений D:

. (7)

Модели, учитывают существенное влияние истории ЭФВ, например, для полимеров скорости протекания внутренних процессов характеризуют спектрами значений времени релаксации или запаздывания. Эти спектры имеют широкий диапазон, поэтому при кратковременных ЭФВ эффекты последействия и запаздывания проявляют себя в достаточной мере.

Простейшая математическая модель, учитывающая названные эффекты, имеет вид



,(8)

где h(t - )- функция, описывающая влияние абсолютных величин ЭФВ и меры повреждений в момент времени на скорость роста повреждений в момент времени t.

Для некоторых классов функций h(t - ) интегральное уравнение (8) эквивалентно обыкновенному дифференциальному уравнению относительно D(t). Это уравнение не всегда имеет первый порядок. Еще более общую модель можно представить в виде

, (9)

где в правой части стоит некоторый оператор от процесса ЭФВ e() на всем предшествующем отрезке времени [0, t].

В граничных условиях критический уровень повреждений D* принят постоянным и равным единице. Между тем для многих явлений накопления повреждений критический уровень повреждений зависит от значения нагрузки в момент достижения предельного состояния.

Наиболее типичный пример - рост газового включения в жидкой или твердой изоляции элементов ТРЭО. Его критический размер, при котором оно становится неустойчивой с точки зрения местного электрического разряда, зависит от напряженности электрического поля его краям.

Исходным материалом для построения приближенных полуэмпирическим моделей для решения задач прогнозирования ресурса служат результаты компьютерных исследований ресурсов при однородных режимах ЭФВ, например, при постоянной амплитуде циклических изменений электрических нагрузок, постоянной температуре и т.п. Эти результаты, как правило, имеют значительный статистический разброс, связанный со случайной природой явлений.

Простейшим примером согласованной приближенной модели служат базовая зависимость для условного ресурса Tb (e|r) и выражение для функции распределения Fr (r) параметра r, который характеризует электрическую или электродинамическую стойкость любого произвольно взятого объекта ТРЭО.

Модель накопления повреждений, кроме аналитических выражений для зависимости Tb (e|r) и закона распределения параметра r, характеризующего случайные свойства объекта ТРЭО или его конструктивного элемента, должна включать формулировку закона суммирования повреждений.

Если принять скалярную меру повреждений и правило линейного суммирования, то вид функции Tb (e|r)и плотности вероятности pr (r) полностью задает основное уравнение

.(10)

Если есть основания различать физическую меру повреждений D(t) и меру псевдоповреждений (t) (t),следует взять уравнение:

. (11)

Функция f1(D) в правой части должна обеспечивать требуемую связь между мерами повреждений D (t) и псевдоповреждений (t).



Рис. 3. Диагностическая модель ТРЭО и система взаимодействия информационных потоков.

Таким образом, диагностическая модель ТРЭО и система взаимодействия информационных потоков представлена на рис. 3. На входе этой диагностической модели имеем результаты испытаний и измерений характеристик ТРЭО, в том числе электрических испытаний, физико-химических и хроматографических анализов проб трансформаторного масла и других видов диагностической информации, т.е. диагностические признаки. На выходе диагностической модели получаем критерии работоспособности ТРЭО, т.е. технические характеристики, при которых электрооборудование может нормально функционировать и сохранять свои паспортные параметры.

Далее рассмотрим многочастотную диагностическую модель n-слойной изоляции для оценки технического состояния ТРЭО (работа Таджибаева А.И).

Вольт-амперная характеристика многослойной изоляции, полученная на основе преобразования дифференциальных уравнений для адекватной модели диэлектрика:

(12)

где фi, фk ? постоянные времени релаксации; n - количество слоев; Ri ? сопротивление i-го слоя; Q(0) ? начальный заряд.

Выражение в комплексном виде для произвольного числа слоев, в том числе и при увлажнении:

(13)

где? вектор комплексных амплитуд напряженностей электрического поля в слоях изоляции; ? вектор производных от комплексных амплитуд, U1 - вектор свободных членов; ||A|| ? матрица коэффициентов при производных; ||B|| ? матрица коэффициентов при неизвестном векторе Еm, подлежащем определению.

Решением уравнений относительно Еi и tgдi можно найти диэлектрические свойства изоляционных конструкций на различных частотах, что позволяет определить априорно диагностические признаки ТС.

Рассмотрим также общую диагностическую модель изменения газосодержания трансформаторных масел при различных видах повреждений. Она включает в себя следующие частные модели, необходимые для анализа их вариации и изменчивости параметров:

- газосодержания масла трансформаторов одного типа;

- вариабельности результатов измерений для трансформаторов различных типов, а также для однотипных трансформаторов по данным различных экспертных источников.

Граничное значение газосодержания основных газов по ХАРГ составляет: для водорода Н2(0,01%об.), метана СН4(0,01%об.), этана С2Н6 (0,005%об.), этилена С2Н4 (0,01%об.), ацетилена С2Н2 (0,001%об.), оксида углерода СО (0,06%об.), диоксида углерода СО2 (0,08%об.).

Зависимость для закона распределений, полученная на основе анализа абсолютных концентраций, приращений концентраций, скорости изменения

, (14)

где б - параметр распределения; - гамма-функция от аргумента 1/ б; ; xi - текущее значение переменной.

По выборкам была проведена оценка параметра распределений и вычислена дисперсия этой оценки.

Третий пример - это диагностическая модель дрейфа температур ошиновки трансформатора, имеющей дефектное контактное соединение, определенное по результатам тепловизионного обследования.

Распределение температуры вдоль шины определяется зависимостью

, (15)

где в - постоянная, характеризующая возрастание сопротивления вблизи контакта; - нормальное погонное сопротивление шины; л - коэффициент теплопроводности; I - полный ток шины; S - сечение шины; г0 - относительное сопротивление в области контакта; - постоянный коэффициент; б - коэффициент теплоотдачи.

При постоянных внешних условиях и протекающем по шине токе база данных должна содержать набор распределений температуры для различных сочетаний в и г0.

Критерий максимальной близости для двух дискретных распределений является минимум расстояния между двумя точками в N-мерном пространстве

(16)

где Ti, - точки распределения температуры из базы данных и предъявленные для распознавания, соответственно.

Таким образом, в диссертационной работе рассмотрены и разработаны следующие диагностические модели для оценки технического состояния ТРЭО:

1. Диагностическая модель механического состояния обмоток на основе метода низковольтных импульсов (НВИ)(дифференциальная оценка, проникновение диагностирующего импульса внутрь обмотки);

2. Диагностическая модель механического состояния обмоток по сопротивлению КЗ Zк (интегральная оценка, сбор диагностической информации с внешних выводов трансформатора - параметры U, I и др.);

3. Построение диагностических моделей по результатам электродинамических испытаний на стойкость к токам короткого замыкания (натурные испытания - это проверка конструкции трансформатора, то есть диагностическое моделирование);

4. Диагностическая модель теплового состояния ТРЭО (экономическая эффективность тепловизионного контроля электрооборудования, испытания реакторов на нагрев на сетевом стенде);

5. Диагностические модели трансформатора при грозовых и коммутационных воздействиях;

6. Диагностическая модель накопления ресурсов ТРЭО;

7. Диагностическая модель многослойной изоляции для оценки технического состояния ТРЭО;

8. Диагностическая модель изменения газосодержания трансформаторных масел при различных видах повреждений ТРЭО;

9. Диагностическая модель дрейфа температур ошиновки трансформатора, имеющей дефектное контактное соединение.

Итак, отправными являются следующие задачи, которые решаются в диссертации: выполнение анализа аварийности и повреждаемости мощных электроустановок ТРЭО и построение структурной схемы повреждений силовых трансформаторов на основе классификации ЭМВ и, в частности, причин возникновения перенапряжений; разработка многостадийных математических моделей накопления дефектов и повреждений, а также отказов ТРЭО на основе факторного анализа и построения эмпирических и статистических моделей для ТРЭО; разработка математической модели обеспечения электромагнитной совместимости силовых трансформаторов при интенсивном потоке ЭФВ; разработка математического обоснования оценки ресурсов электроустановок ТРЭО; разработка методов оценки технического состояния (ОТС) и структурного подхода к принятию технических решений при эксплуатации изношенного ТРЭО.

Во второй главе диссертации, имеющей методическое направление, для повреждений электроустановок ТРЭО даются обоснования математических диагностических моделей марковского, пуассоновского и кумулятивного типов. Кроме того, для нарушений ЭМС этих объектов при эксплуатационных физических (прежде всего, электромагнитных и тепловых) воздействиях, приведены положения их построения на основе метода условных функций и др.

ЭМС можно определить, как свойство ЭУ сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах и условиях эксплуатации при внешних и внутренних физических воздействиях электромагнитного, теплового и другого происхождения. При этом сама ЭУ и процессы, происходящие в ней, не должны оказывать недопустимых воздействий на окружающую среду, другие ЭУ и объекты. Здесь понятие эксплуатации включает в себя, кроме применения по назначению, техническое обслуживание, ремонт, хранение и транспортирование.

Целью управления ТС является такое воздействие на ЭУ, которое приводит к предупреждению, сдерживанию или прекращению развития дефекта ЭУ. С этой целью при анализе ТС электротехнических комплексов и, в частности, ЭУ ТРЭО используется ряд методов, среди которых можно выделить следующие: визуальный контроль; ультразвуковой контроль; контроль деформаций после воздействий токов КЗ методом низковольтных импульсов, измерением сопротивления КЗ и др.; анализ сигналов акустической эмиссии; определение диэлектрических свойств; измерение частичных разрядов; инфракрасная термография; хроматографический анализ; вибрационный анализ.

В практике оценки ТС каждый из приведенных методов используется в подавляющем большинстве случаев независимо друг от друга. Однако использование применяемых методов в отдельности не позволяет эффективно определить возможные повреждения электрооборудования.

Центральным понятием теории ЭМС при анализе состояний электротехнических комплексов и систем и, в частности ТРЭО, является понятие нарушения ЭМС (НЭМС). Термином НЭМС называют событие, заключающееся в изменении или прекращении работоспособного состояния ЭУ - состояния, при котором он способен выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации.

Для массовых элементов ЭУ ТРЭО статистическую оценку можно получить, обработав результаты испытаний на ЭМС достаточно больших выборок. Способ вычисления оценки зависит от плана испытаний. Пусть испытания выборки из N ЭУ проведены без замен и восстановлений до нарушения последней ЭУ. Обозначим продолжительности времени до НЭМС каждой из ЭУ t1, ..., tN. Тогда

,(17)

где (t) - единичная функция Хевисайда.

Вероятность аварии в течение эксплуатации должна быть весьма мала, так что функция Q(t) ? Н(t) численно имеет весьма малые значения по сравнению с единицей.

Время Т работы ЭУ до первого НЭМС - случайная величина. Функция распределения этой величины FT (Т) равна дополнению до единицы вероятности работы без НЭМС при t = Т:

. (18)

В дальнейшем всюду принимаем, что величина Т распределена непрерывно. Плотность вероятности этой величины рT (Т) с точностью до знака равна производной от функции ЭМС:

.(19)

Интенсивность НЭМС совпадает с условной плотностью вероятности возникновения НЭМС, определенной при условии, что до рассматриваемого момента времени НЭМС не возникло и широко используют при обработке результатов ресурсных испытаний или наблюдений ЭУ в процессе эксплуатации. Используя для нее положения математической статистики можно записать соответствующую оценку статистическую оценку л(t) в виде

,(20)

где n(t) -число ЭУ с НЭМС к моменту времени t.



Рис. 4. Диаграмма формального определения электромагнитной совместимости в СЭС НП в идеальной и приближенной постановке.

Сущность теоретической основы обеспечения ЭМС проиллюстрирована диаграммой, приведенной на рис. 4. Элементы теории ЭМС можно найти в расчетах процессов, связанных с процессами ЭФВ на электрические установки электрических сетей и систем, для которых развитие возникающих при этом дефектов определенным образом характеризует уровень ЭМС. Понимание статистической природы и сопоставления воздействующих потоков энергии и реального состояния электроэнергетических объектов нашло отражение в фундаментальных работах А.А. Горева, А.М. Залесского, М.В. Костенко, А.И. Долгинова, И.Ф. Полового, Д.В. Разевига и многих других, где были введены первоначальные понятия ЭМС, связанные с определениями "кривых опасных параметров и волн" (КОП и КОВ) внешних и внутренних электромагнитных воздействий, координации изоляции и др.

Одна из наиболее распространенных моделей этого класса - модель электрической прочности изоляционных конструкций ЭУ ТРЭО, в которой ЭФВ, представленное, например, в виде перенапряжения e и электрическая прочность r.

Если процессы r (t) и e (t) случайные и за характеристический параметр конкретного процесса в ЭУ принята величина e с ограничением e < r, то для вычисления вероятности Р (t) следует рассматривать выбросы случайного процесса e (t) за случайный переменный уровень r (t).

Перейдя к характеристическому параметру v = r/e или v = r - e, придем к задаче о выбросах случайного процесса за детерминированный уровень. Другой путь - применение метода условных функций ЭМС, который основан на поэтапном решении задачи.

Пусть свойства ЭУ заданы, например, вектором стойкости (прочности) r, компоненты которого характеризуют не только электрическую прочность, но и способность ЭУ сопротивляться другим внешним воздействиям. Для каждой конкретной ЭУ вектор, в частности, электрической прочности принимает определенные численные значения, характеризующие начальные свойства ЭУ. Дальнейшие изменения свойств опишем, используя процессы u (t) и v (t).

При заданной плотности вероятности р (r, e) вероятность работы без НЭМС может быть определена интегральным выражением

.(21)

Будем считать распределение величин r и e нормальным. Тогда их разность r - e тоже распределена нормально. Пусть r и e - независимые величины. Обозначим их математические ожидания соответственно аr и аe, а дисперсии и. Используя свойства функций от случайных величин, получим

(22)



Здесь значение Ф (z) - нормированная функция распределения Гаусса для аргумента z, то есть

(23)

Эта модель простая и наглядная, поэтому ее часто применяют для обоснования методики обоснования коэффициентов запаса стойкости изоляции или при оценке электродинамической стойкости.

Если при интерпретации этой модели считать, что расчетные значения электрической прочности изоляции r и воздействия e равны их математическим ожиданиям, то величины 1 - rr и 1 + rr можно толковать как коэффициенты запаса, с одной стороны, по материалу и выполнению изоляции, а, с другой стороны, 1 - ee и 1 + ee - по величинам ЭФВ. Здесь и - коэффициенты вариации; r и e - некоторые числовые коэффициенты, характеризующие требуемый уровень ЭМС.

Рассмотрим методику определения числа отказов, где учитывается общее число находящихся в эксплуатации элементов (N). При этом элементы должны удовлетворять следующему требованию: время их жизни конечно.

Пусть m - число НЭМС за время Тср для N работающих идентичных элементов. Тогда

. (24)

если m - число НЭМС за текущее время t для N работающих элементов, то



. (25)

После преобразования имеем:

. (26)

Полученная модель, связывающая число НЭМС с надежностью и числом эксплуатируемых однотипных элементов, является адекватной и объективно отражает процесс их возникновения.

Таким образом, в главе 2 произведено определение и классификация нарушений ЭМС ТРЭО, постановка задач теории ЭМС и математическое моделирование нарушений ЭМС для электроустановок ТРЭО, разработаны математические модели для анализа эксплуатационных ресурсов электроустановках ТРЭО с обеспечением их ЭМСв условиях ЭФВ, разработаны математические модели обеспечения электромагнитной совместимости силовых трансформаторов при интенсивном потоке ЭФВ.

В третьей главе диссертации приведены постановка задач, математические модели и результаты анализа исследований ресурсов ТРЭО и их прогнозирования. 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.