Разработка и исследование методов диагностики изоляционной системы маслонаполненных трансформаторов на основе изучения спектров токов поляризации

Актуальность проблемы. Изоляционная система современного маслонаполненного оборудования, в том числе и высоковольтных трансформаторов, лежит в основе организации надежного бесперебойного энергоснабжения и является ключевым элементом, гарантирующим безаварийную эксплуатацию подобного рода оборудования.

Сложившаяся к настоящему времени ситуация в области организации надежного энергообеспечения, как у нас в стране, так и за ее пределами, характеризуется устойчивыми тенденциями, наиболее важными из которых являются:

— заметный рост электропотребления и связанное с ним увеличение парка эксплуатируемого оборудования при постоянном повышении требований к надежности, долговечности, экологичности эксплуатируемых устройств;

— «старение» парка обслуживаемого оборудования, и в первую очередь, наиболее ответственного и дорогостоящего трансформаторного оборудования. (Более 60% трансформаторов, установленных в распределительных сетях, эксплуатируются 25 лет и более.) В результате появляется стратегическая задача современного уровня — оценка возможности продолжения безаварийной эксплуатации состаренного оборудования. Постоянный рост цен на новое оборудование и работы, связанные с его установкой в работающей системе, не снижают актуальность сформулированной стратегической задачи;

— переход от планово-предупредительного ремонта оборудования к системе технического обслуживания на основе оценки его фактического состояния, позволивший сделать проводимый ремонт более целесообразным и технически обоснованным.

Определение фактического состояния оборудования в данном случае основано на измерении значений контролируемых параметров, для которых определяются тревожные и аварийные уровни сигналов. Сравнение действительных значений с установленными уровнями тревоги и предыдущими замерами дает оценку изменения состояния контролируемого оборудования. Организованный, таким образом, диагностический контроль имеет своей целью предотвращение аварийного отказа оборудования, определения его состояния и прогнозирование остаточного ресурса как одного из главных показателей надежности.

Однако, неопределенности, возникающие при определении уровней тревожных и аварийных сигналов, а также и при выборе вида и метода измерения значений, контролируемых параметров, не позволяют до конца решить поставленные задачи. Поэтому сегодня говорят о новых подходах, формирующих принципиально новую парадигму диагностики состояния эксплуатируемого оборудования, качественно изменяющие требования к нему. Главной задачей становится управление жизнью эксплуатируемого оборудования и прогнозирование его состояние на относительно длительный период. Такие подходы не являются тривиальными и требуют разработки принципиально новых методов планирования контроля, формирования эффективного параметра контроля и обеспечения толерантности получаемых результатов (идеология обеспечения качества G. Taguchi [120,148]).

Основные мировые тенденции, перечисленные выше, так или иначе, сталкиваются с решением проблемы создания диагностической системы, непосредственно интегрированной в технологический процесс обслуживания дорогостоящего маслонаполненного оборудования, функционирующего в распределительных сетях электрообеспечения. Поэтому диагностическая система должна обладать высокой эффективностью и производительностью, отличаться доступностью методов контроля и применяющихся при этом материалов. Располагать физически обоснованными математическими моделями, позволяющими формализовать наши представления о состоянии контролируемого объекта и допускающими формирование итогового заключения. Корректирующие мероприятия, сформулированные в итоговом заключении, должны предусматривать мероприятия, исключающие отказ эксплуатируемого оборудования в пределах конкретно заданного периода времени (в чем и состоит суть управления длительностью жизни технического устройства). Поэтому трудно не согласиться с мнением доктора технических наук Дарьяна Л. А., что «.в создавшихся условиях стратегической линией развития электротехники и электроэнергетики является разработка эффективных диагностических систем — средств и методов диагностики, позволяющих подтверждать работоспособность оборудования (бездефектное состояние) или обнаруживать повреждения на ранней стадии их развития (рабочее состояние)» и, в конечном итоге, управлять остаточным ресурсом времени технического устройства [259].

Высоковольтный трансформатор, как и любое маслонаполненное оборудование, представляет собой многокомпонентную систему узлов и элементов. Отказ любого из них приводит к отказу всего трансформатора. Анализ причин отказа работающего трансформаторного парка за период 1997 ^ 2003 годов по данным 1М1А — И/СР (33/03) (международной ассоциации страхования инженерной продукции) показал, что основной причиной материальных потерь является отказ изоляционной системы (в стоимостном выражении это составляет более 52%). На втором месте (более 22%) оказались причины связанные с конструкцией трансформатора (используемыми материалами и качеством их изготовления) [288−290]. Тем не менее, в настоящее время отсутствует эффективная система контроля изоляционной системы трансформаторов и оценки ее качества.

Нормативные документы РД 34.45−51.300 — 97 (Объем и нормы испытаний электрооборудования) измерения величины сопротивления КИЗ и величины коэффициента абсорбции кабс при заданных в них уровнях тревоги не предусматривают всех требований к ним, что оказывается явно недостаточными. Они не раскрывают особенностей физических процессов, протекающих в контролируемых изоляционных промежутках, не устанавливают степень дефектности и степень изношенности работающих материалов. Отсутствие систематических, теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении с точки зрения диагностики практически делают бесполезными результаты такого рода контроля.

Хотя изучение поляризационных процессов в технических диэлектриках является предметом успешного исследования, проводимого крупными научными школами (петербургская научная школа электротехнического материаловедения: Койков С. Н., Сажин Б. Н., Борисова М. Э., Канискин В.А.), процессы поляризации (особенно структурной), развивающейся в объеме изоляционных промежутков силовых трансформаторов, методы исследования и оценивания их основных параметров, по существу, оставлены без внимания. Использование метода измерения величины возвратного напряжения (RVM) и метода контроля величины диэлектрического отклика (PDC) на действие приложенного электрического поля (спадание тока со временем) даже в зарубежной [Е. Gockenbach, A. Shayegani, М. Farachani, Tapan К. Saha] практике диагностического контроля состояния не пошли дальше оценки степени увлажнения твердой изоляции.

В этой связи разработка и исследование высокоэффективных систем диагностического контроля состояния маслонаполненного энергетического оборудования, в основу которых положены результаты изучения: процессов поляризации, развивающиеся в диэлектрических материалах изоляционных конструкцийосновных закономерностей их старения в эксплуатационных условияхвозможностей непосредственного интегрирования разработанных систем диагностики в технологический процесс обслуживания оборудования и обеспечения требуемого уровня его надежности представляют действительно актуальную научно-техническую проблему современных электротехники и электроэнергетики.

Объектом исследования являются изоляционные промежутки силового маслонаполненного оборудования, надежность работы которых обеспечивает не только надежность всего устройства в целом, но и минимум эксплуатационных затрат.

Предметом исследования являются закономерности, описывающие развитие процессов поляризации, в том числе и структурной, лежащие в основе, как формирования эффективного параметра контроля, так и принципиально новых методов диагностики работоспособности маслонаполненного оборудования.

Цель работы. Разработка методов контроля и исследования спектров токов структурной поляризации, развивающейся в объеме изоляционных промежутков маслонаполненного оборудования, и создание на этой основе высокоэффективной системы диагностики состояния подобного рода оборудования, непосредственно интегрированной в технологический процесс обслуживания и обеспечения требуемого уровня надежности электроснабжения при минимуме эксплуатационных затрат.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи, включающие:

1 .Теоретическое описание конструктивных особенностей изоляционной системы, обеспечивающих механическую прочность, электрическую стойкость и долговечность оборудования в целом. Выбор и обоснование физической модели изоляционного промежутка силового трансформатора, отражающей основные закономерности поведения материалов в сложных эксплуатационных условиях в течение длительного времени.

2. Исследование химического состава, структуры и свойств основных материалов, формирующих изоляционные промежутки, механизмы старения материалов: пиролиз, гидролиз и окисление, а так же продуктов старения и влияние их концентраций на эксплуатационные свойства изоляционной конструкции маслонаполненного оборудования.

3. Разработку комплексного подхода к оценке эксплуатационной надежности изоляционного промежутка, отличительной чертой которого является отказ от направленных проверок работающего оборудования и переход к организации эффективно действующей системы управления его длительностью жизни. Учитывая при этом, что увеличение объема контролируемых параметров (за счет включения новых) делает систему более затратной, трудоемкой по времени, неспособной охватить своим вниманием все потенциально опасные трансформаторы.

4. Формирование основных принципов управления временем жизни изоляционных промежутков. Разработку новых подходов к оценке состояния объекта контроля как некоторой физической величины, требующих специальных методов надежной количественной оценки, позволяя тем самым организовать не только контроль высокого уровня за степенью эксплуатационной пригодности энергетического оборудования, но и надежное функционирование технологического процесса диагностики.

5. Аналитический обзор существующих методов контроля состояния силовых трансформаторов с точки зрения их диагностических возможностей и практической ценности, которые гарантируются наличием глубоко обоснованных норм, устанавливающих допустимые значения параметров контроля, и надежностью аппаратурного и метрологического обеспечения анализируемых методов.

6. Формулирование основных принципов построения диагностической системы, лежащей в основе управления длительностью жизни объекта контроля и базирующиеся на результатах системного анализа накопленного опыта эксплуатации оборудования в течение длительного периода времени.

7. Формирование комплексного параметра контроля состояния изоляционного промежутка, сочетающего в себе характерные черты обобщенного показателя качества, в том числе и повышенную робастность к сторонним неконтролируемым факторам. Степень соответствия физической природы параметра контроля принятой в работе физической модели процессов, протекающих в разрядном промежутке, определяет уровень толерантности получаемых результатов контроля. При таких подходах измеренная величина параметра контроля может быть принята в качестве количественной характеристики состояния объекта контроля.

8. Разработку методов контроля состояния изоляционного промежутка, представление процессов, протекающих в нем. в виде физической модели, аппаратурное оформление методов и их применение для решения ряда практических задач, представляющих сущность решаемой в работе научно-практической проблемы. Среди них не только проблемы современной электрометрии, но и задачи контроля сопутствующих параметров: влажности, температуры, разрядной активности и другие. К тому же, оценка состояния объекта контроля, установление степени изношенности материалов, вычисление величины оставшегося ресурса времени эксплуатации требуют разработки принципиально новых методов определения степени соответствия развивающихся в промежутке физических процессов их реперным аналогам, играющим роль системы отсчета, представленной в виде некоторой шкалы баллов.

9. Формирование итогового заключения о состоянии контролируемого промежутка на основе результатов первичной обработки собранной информации, ее анализа и результатов подтверждающих и уточняющих процедур. Формализованный вид представления итогового заключения должен соответствовать требованиям программно-аналитического комплекса современных экспертных систем.

10. Разработку корректирующих мероприятий, реализация которых обеспечит эксплуатацию маслонаполненного оборудования, находящегося под наблюдением, с требуемым уровнем надежности и долговечности при минимуме эксплуатационных затрат.

Методика исследования поставленных в работе задач базируется на основных положениях теории электропереноса в сложных диэлектрических системах и сводится к определению параметров процесса электропереноса и изучению его основных закономерностей. Исследование процесса электропереноса во временной области 0 — 600 сек, в которой величина токов поляризации заметно превалирует над уровнем тока утечки, потребовало разработки специальных методов и приемов обработки результатов измерения величины тока, протекающего в разрядном промежутке, и контроля изменения его во времени. В связи с этим и был разработан метод формирования спектров токов поляризации, временная область которых может изменяться в широких пределах.

Вид спектра токов поляризации, его характерные основные черты и параметры показали высокую чувствительность к изменению числовых параметров процесса электропереноса за счет развития структурных нарушений в объеме изоляционного промежутка. Поэтому предложенный в работе метод построения спектра токов поляризации и методы изучения основных его характеристик отличаются высокой эффективностью оценки состояния объектов исследования.

Используемый для измерения плотности тока в разрядном промежутке измерительно-вычислительный комплекс С. А6547, снабженный собственным программным обеспечением и микропроцессорным устройством, позволяет контролировать широкий спектр параметров, характеризующих процесс электропереноса в сложных диэлектрических средах {Сиз. 5 А-/".5 К из., ъ, Р1, ИО и др.).

Методы корреляционного анализа, широко используемые в работе, позволили установить функциональные зависимости между основными параметрами, характеризующими состояние контролируемого промежутка, и предоставили возможность эффективно использовать методологию уточняющих и подтверждающих процедур, что в значительной мере повышает достоверность получаемых оценок. Сюда же относятся методы оценки разрядной активности, методы хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле, методы построения полигона сопротивлений совместно с методами анализа поступающей информации (метод непосредственного сопоставления с аналогом, метод назначенного лидера, метод предельных состояний, метод структурирования функций качества, метод вычисления обобщенного индекса поляризации).

Для обоснования разработанного метода контроля состояния изоляционных промежутков кроме материалов теоретического описания отклика диэлектрической среды в выбранной временной области и математического моделирования процесса электропереноса в сложных диэлектрических средах (двухслойный конденсатор Максвелла) в распоряжении автора работы были результаты экспериментального исследования всех изоляционных промежутков 75-ти силовых трансформаторов (110/35/ 10(6) кВ) при трех уровнях тестирующего напряжения (500, 1000, 2500 кВ), полученные при испытании трансформаторов в полевых условиях, а так же результаты хроматографического анализа каждого из 75 трансформаторов, предоставленные штатными лабораториями ОАО «Смоленскэнерго» и ОАО «Брянскэнерго», ОАО «МОЭСК». Таким образом, методы контроля состояния изоляционных промежутков, представленные в этой работе, имеют не только глубокое теоретическое обоснование, но и убедительное экспериментальное подтверждение.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, и основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые выявлены основные закономерности изменения токов поляризации в сложных диэлектрических средах изоляционных конструкций силового маслонаполненного оборудования от времени его эксплуатации. Их достоверность подтверждается обширным экспериментальным материалом, представляющим собой результаты исследования токов поляризации в изоляционных промежутках 75 маслонаполненных трансформаторов напряжением 110/35/10(6) кВ, возраст которых находится в диапазоне 20 56 лет.

2. Анализ представленного в работе массива экспериментальных результатов позволил:

• выделить временную область, в которой превалируют процессы структурной поляризации, что позволило обеспечить высокую чувствительность методов, предлагаемых в работе, к изменению состояния изоляционных систем маслонаполненных трансформаторов;

• сформировать спектр токов поляризации и выделить его основные параметры, обладающие повышенной чувствительностью к изменению свойств материалов, работающих в изоляционных промежутках силового трансформатора- • разработать комплексный показатель состояния изоляционного промежутка в виде обобщенного индекса поляризации (tpi — total polarization index), представляющий собой максимальное значение функции [tl (t)]max, и позволяющий представить выявленные в работе закономерности в обобщенном виде.

3. Обнаружена высокая чувствительность параметров спектра токов поляризации, в том числе и tpi, к условиям и времени эксплуатации маслонаполненного оборудования, что позволило поставить под инструментальный контроль параметры изоляционной конструкции (W% -степень увлажнения твердой изоляциистепень ее полимеризации — DPинтенсивность разрядной активности — авремя жизни — tM), определяющие надежность и долговечность работы конструкции в сложных эксплуатационных условиях. В результате контроль параметров спектров токов поляризации предоставляет широкие возможности для создания диагностических систем высокого уровня.

4. Установлена адекватность значений комплексного показателя качества Q (X) = '^jalX, изоляционного промежутка значениям его комплексного показателя изношенности^/) = а,/, представляющим, по существу, свертку спектра токов поляризации (Х- - относительные величины контролируемых параметров промежутка, а I, — значения тока поляризации в i-ые моменты времени), которая упрощает анализ спектров тока поляризации и расширяет возможности предлагаемых в работе методов диагностирования состояния контролируемого оборудования.

5. Разработаны методы обработки и анализа получаемой на опыте информации, обеспечивающие физическую обоснованность, надежность и достоверность получаемых оценок состояния контролируемого оборудования:

— метод диагностики силовых трансформаторов на основе рангового распределения значений обобщенного индекса поляризации 1р1 позволяет определить объекты в составе техноценоза, имеющие аномальные значения контролируемого параметра;

— метод реперных кривых позволяет сформировать представление о состоянии контролируемого оборудования и величине его ресурса;

— метод назначенного лидера, включающий в себя модернизованный в работе метод структурирования функций качества, позволяет оценить степень близости спектра тока поляризации контролируемого изоляционного промежутка его аналогу;

— метод скользящего среднего позволяет провести разграничение исследуемых трансформаторов по скорости их старения и оценить величину оставшегося ресурса работы контролируемого оборудованияметод треугольника состояний позволяет идентифицировать физическую природу обнаруженного дефекта изоляционной системы;

— метод анализа разрядной активности контролируемого промежутка позволяет по интенсивности разрядов в контролируемом изоляционном промежутке судить о категории структурного нарушения;

Достоверность полученных результатов.

Сформулированные в работе основные положения и выводы имеют достаточное теоретическое обоснование, не противоречат используемой физической модели (двухслойного конденсатора Максвелла), раскрывающей все многообразие явлений, развивающихся в изоляционном промежутке, и базируются на обширном экспериментальном материале, отражающем многолетний опыт эксплуатации маслонаполненного оборудования. Точность измерения плотности тока, протекающего в изоляционном промежутке, (±5%) и построение спектров токов поляризации гарантируется применением контрольно-измерительного оборудования (С.А6547), имеющего российский и зарубежный сертификаты.

Математические модели, представленные в работе в виде системы регрессионных уравнений, устанавливающие функциональную взаимосвязь между параметрами контроля, хорошо детерминированы. Коэффициент детерминации во всех случаях был не меньше Я = 0,85. Система уточняющих и подтверждающих процедур, использующая хорошо детерминированные математические модели, обеспечивает возможность контроля степени соответствия процессов, развивающихся в контролируемом изоляционном промежутке, принятой в работе физической модели и тем самым повышает обоснованность и достоверность получаемых оценок состояния контролируемого оборудования.

Практическая значимость работы.

Метод оценки состояния высоковольтного маслонаполненного оборудования, основанного на измерении и анализе плотности тока поляризации и изменении его во времени, представлен в работе в виде законченного решения сложной научно-технической проблемы, связанной с обеспечением надежности длительной эксплуатации состарившегося оборудования. Отличительная особенность данного метода заключается в том, что под непосредственным инструментальным контролем находятся свойства и состояния, как жидкого диэлектрика (трансформаторного масла), так и твердого диэлектрика, что существенным образом расширяет диагностические возможности метода по сравнению с существующими.

Предложенные в работе методы и способы выделения временной области, в которой развиваются процессы структурной поляризации, обусловленные накоплением носителей электрического заряда на границе раздела масло-твердый диэлектрик, построение спектра токов поляризации и разложение на составляющие его элементы позволяют контролировать природу, интенсивность и степень опасности развивающегося дефекта. К тому же получаемые числовые значения степени увлажненности твердой изоляции степени полимеризации целлюлозы — основной компоненты изоляционных бумаг (ОР), величины оставшегося ресурса времени эксплуатации (¿-ж) и интенсивности разрядной активности контролируемого промежутка дают непосредственное восприятие состояния объекта наблюдения и позволяют обоснованно сформулировать корректирующие мероприятия, реализация которых обеспечивает надежную эксплуатацию состарившегося оборудования. Все это и составляет физическую сущность современной парадигмы управления длительностью жизни состаренного маслонаполненного оборудования. Ведь «. только знание реального состояния исключает все потери», — Bart Tichelman (президент компании SERVERON Corporation [280]).

Предложенные в работе методы: метод непосредственного сопоставления спектров поляризации с аналогом (метод назначенного лидера), метод реперных кривых, метод треугольника состояний, метод скользящего среднего, метод структурирования функций качества (упрощенный его вариант), метод оценки разрядной активности изоляционного промежутка, органично входящие в структуру предложенного метода диагностики состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования, могут иметь и самостоятельное применение: при оценке качества его ремонта, качества поставляемого оборудования и при решении ряда других аналогичных задач.

Важной практической особенностью представленной работы является использование метода ранговых распределений, позволившего в качестве базы сравнения использовать весь накопленный опыт исследования состояния маслонаполненного оборудования. С этой целью имеющийся массив данных был представлен в виде ранжированного ряда значений контролируемого параметра, для каждого значения которого известен доверительный интервал с заданным уровнем доверительной вероятности Рд. Это позволило отказаться от применения уровней тревоги, значения которых рекомендованы в существующих РД и практика применения которых в целях диагностики силовых трансформаторов показала их низкую эффективность.

Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались:

— Первая международная научно-техническая конференция «Датчики электрических и неэлектрических величин». Алтайский государственный университет им. И. Ползунова, Барнаул, ноябрь 1993 г.

— 2-я международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томский политехнический университет, апрель 1996 г.

— Международная научно-техническая конференция «Сертификация и управление качеством продукции», Брянский государственный технический университет, октябрь 1999 г.

— Международная научно-техническая конференция «TQM — 99», Минск, апрель 1999 г.

— Десятая международная конференция по менеджменту качества, «TQM -2000», Москва, май 2000 г.

— Международная научно-техническая конференция «Сертификация и управление качеством продукции». Брянск, май 2002 г.

— V-ая Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты», ICEMC-2004. Крым, Алушта, сентябрь 2006, 2008 г. г.

— Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы энерготехнологии». Иваново, июнь, 2007, 2009, 2011 г. г.

— Международный семинар «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» — 2 доклада, МЭИ, Москва, ноябрь 2007 г.

— VII — ая Международная научно-практическая конференция «Электроизоляционные материалы и системы изоляции вращающихся электрических машин — 2009», п. Бекасово, Наро-Фоминский район, Московская область, май 2009 г.

— IV-ая Международная научно-техническая конференция «Силовые трансформаторы и системы диагностики», международная ассоциация ТРАВЭК, Москва, июнь 2009 г.

— 3-я Международная научно-техническая конференция «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», Белор.-Росс. университет, Могилев, октябрь 2009 г.

— Международная научно-техническая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», МЭИ, Москва, июнь 2010 г.

— Научно-практическая конференция и семинар по темам «Современное состояние и проблемы разработки и внедрение нормативно-технической документации по диагностированию силового электрооборудования» и «Общие проблемы диагностирования силового электрооборудования», УрЦОТЭ, г. Пермь, сентябрь 2011 г.

Материалы докладов Международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» — 2 доклада. Москва, 2011 г.

— 2-я Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», НИУ МЭИ, Москва, июнь 2012 г.

— Материалы 18-го пленарного заседания Общественного Совета специалистов по диагностике силового электрооборудования по теме «Анализ эффективности методов средств диагностирования силового электрооборудования», УрЦОТЭ, Свердловская обл., г. Среднеуральск, сентябрь 2012 г.

Публикации. Результаты исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 35 опубликованных работах, из которых 11 входят в список изданий, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций, в том числе 2-х патентов РФ, и 1 заявки на получение патента РФ.

Личный вклад автора.

Изложенные в диссертации результаты исследований являются частью работ, выполняемых по одному из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ — «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», затрагивающих вопросы повышения надежности и устойчивости функционирования энергетических устройств, в которых автор лично принимал участие.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит: подбор и анализ имеющейся информации, составление литературного обзора по материалам отечественной и зарубежной литературы, формирование основных принципов управления временем жизни, постановка задач, разработка теоретических и методологических положений, составление программ проведения лабораторных и полевых испытаний эксплуатируемого оборудования, разработка алгоритмов диагностики состояния, анализ результатов исследований и разработка практических рекомендаций. Внедрение результатов работы.

Предложенные в данной работе методы диагностики оценки состояния изоляционных промежутков маслонаполненных трансформаторов, находящихся в эксплуатации длительное время, были использованы на протяжении последних семи лет в филиалах ОАО «МРСК Центра» -«Смоленскэнерго», «Брянскэнерго», ОАО «Московская объединенная электросетевая компания», а так же используются на предприятии ОАО «Свердловэнергоремонт», что подтверждается предоставленными отзывами о результатах работы, актом об оказании услуг по диагностике изоляции высоковольтного электрооборудования и экспертными заключениями по результатам материалов проекта: «Разработка методики управления временем жизни маслонаполненного энергетического оборудования с помощью формирования спектров токов поляризации изоляционных промежутков контролируемого оборудования».

6.6. Выводы.

1. Современный уровень оценки состояния силового маслонаполненного оборудования, основанный, на системе и нормах периодических испытаний не отличается достаточной эффективностью. Поскольку существует «. опасность не столько ошибочной интерпретации результатов контроля, сколько безапелляционный вывод об удовлетворительном состоянии оборудования, когда природа дефектов, их интенсивность и степень опасности, позволяющие установить фактические причины отказа, остаются, практически, за пределами области внимания нормированного объема испытаний» [47].

2. Требуемый уровень достоверности оценивания состояния достигается глубиной исследования физических процессов, протекающих в изоляционных промежутках. Подходы, предлагаемые современной технической литературой, отдают предпочтение или контролю трансформаторного масла, или контролю твердой изоляции и не раскрывают всех особенностей физических процессов. Поэтому желаемый уровень достоверности оценок состояния так и остается недостижимым.

Предлагаемый в работе метод контроля токов поляризации в области развития структурной поляризации позволяет держать под контролем все виды материалов, формирующих изоляционный промежуток. Процессы, развиваемые в нем, контролируются более полно, а получаемая при этом информация обеспечивает более высокий уровень достоверности.

3. Достоинством предлагаемого метода диагностики состояния является возможность контроля разрядной активности не всего трансформатора в целом, а только того промежутка, который находится под контролем. При этом спектральная плотность и интенсивность разрядной активности являются параметрами, которые надежно фиксируются на протяжении всего интервала времени тестирования. Диагностические возможности этих параметров определяются их устойчивой корреляцией с величиной пробивного напряжения изоляционной конструкции и служат хорошим подтверждением физической модели развивающегося в промежутке дефектов.

4. Попытка сформировать, представление о степени дефектности изоляционного промежутка и необходимости вмешательства обслуживающего персонала связана с рядом трудно решаемых проблем и, прежде всего, отсутствием эффективной базы сравнения. Эксплуатируемые промежутки по своей структуре и свойствам не могут оставаться постоянными во времени. Изменение состояния, связанное с деформацией структуры, может быть настолько значительным, что делают изоляционную систему принципиально отличной от исходной. (Например, изоляционная система теряет свойства двухслойной и функционирует как однослойная).

5. Учитывая отсутствие эффективной базы сравнения, в работе для оценки состояния изоляционного промежутка используются методы, в которых база сравнения (правила принятия решения) формируются в процессе контроля некоторой совокупности однотипного оборудования (метод ранговых распределений). Применяемая при этом система уточняющих и подтверждающих процедур, позволяет подтвердить или установить физические закономерности, позволяющие отнести контролируемое изделие к одному из возможных состояний и тем самым раскрыть физическую природу развивающегося дефекта, его интенсивность и степень опасности.

6. С целью формализации используемых методов и методических приемов оценки состояния изоляционного промежутка все они условно разделены на три, практически, самостоятельных блока, логически нацеленные на достижение конечного результата.

— Блок первичной обработки получаемой при контроле информации.

— Блок анализа информации, прошедшей первичную обработку.

— Система подтверждающих и уточняющих процедур, устанавливающая упорядочивающие взаимоотношения и логическую согласованность между значениями контролируемых параметров: Р1- ООБР- ?% и др.

7. Каждый блок формализованной системы оценивания состояния изоляционного промежутка отличается совокупностью уникальных методов и подходов, позволяющих обеспечить достоверность получаемых результатов. Так в блоке первичной обработки используется метод формирования параметра контроля (обобщенного индекса поляризации), представляющего по своей физической сути свертку зависимости 1(0 в заданном временном интервале, имеющего вполне определенное числовое значение. При этом разложение спектра токов поляризации на составляющие по методике, предложенной в работах Хидехару Матсуура и Такаши Хосе [151], позволяет не только уточнить значение величины /р/, но и получить информацию о природе структурной поляризации.

8. Блок вторичной обработки (блок 2) насыщен методами анализа, с помощью которых устанавливается присутствие развивающегося дефекта (метод ранговых распределений) — оценивается вероятность такого события (метод назначенного лидера и метод структурирования функций качества) — раскрывается физическая природа обнаруженного структурного нарушения (методы газовой хроматографии, методы оценки разрядной активности промежутка, метод «треугольника состояний»). Особое значение в этом случае играет метод «треугольника состояний», с помощью которого контролируемый объект может быть отнесен к строго определенной области треугольника, соответствующей установленному состоянию. В свою очередь каждая такая область отражает физическую модель процессов, развивающихся в работающем промежутке, и тем самым идентифицирует физическую природ}' обнаруженного нарушения, что делает метод эффективным диагностическим инструментом.

9. Представление результатов контроля состояния изоляционного промежутка, их анализа и логически следующего заключения в виде некоторой обобщенной структуры (таблицы), формализующей и облегчающей восприятие всего многообразия физически разнородных методов и методических приемов, обработки и анализа поступающей информации, вполне обосновано. Это делает итоговое заключение научно обоснованным, метрологически и аппаратурно обеспеченным решением актуальной технической задачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной работе проведено исследование методов диагностики состояния изоляционных промежутков маслонаполненного трансформаторного оборудования со сроком службы в пределах от 20 до 57 лет. В основе исследованных методов лежит контроль величины токов поляризации/деполяризации, значения которых, являясь структурно-чувствительными, оказываются эффективными диагностическими параметрами. Однако отсутствие систематических теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении существенным образом уменьшают возможности диагностических методов, обеспечивающих надежную работу состаренного оборудования.

Хотя изучение поляризационных процессов в технических диэлектриках является предметом успешного исследования, проводимого крупными научными школами (петербургская научная школа электротехнического материаловедения: Койков С. Н., Сажин Б. Н., Борисова М. Э., Канискин В.А.- томская школа физики твердого тела: Воробьев A.A., Завадовская Е. К., Анненков Ю.М.), процессы поляризации (особенно структурной), развивающейся в объеме изоляционных промежутков силовых трансформаторов, методы исследования и оценивания, основных их параметров, по существу, оставлены без внимания. Методы измерения величины возвратного напряжения (RVM) и контроля величины диэлектрического отклика (PDC) на действие приложенного электрического поля (спадание тока со временем) даже в зарубежной практике [E.Gockenbach, A. Shayegani, М. Farachani, Tapan К. Saha] диагностического контроля состояния не пошли дальше оценки степени увлажнения твердой изоляции. Сюда можно отнести работы, проводимые с 1952 г. во ВНИИЭМ, по разработке аппаратуры для измерения влажности твердой изоляции.

Представленная работа, проблема и задачи, решаемые в ней, не только актуальны, но и приобретают особую практическую значимость.

I. Сложность конструкции силовых трансформаторов вообще, и их изоляционных промежутков в частности существенным образом усложняют решение проблемы управления временем жизни и обеспечения требуемого ресурса эксплуатируемого оборудования. Поэтому при теоретических исследованиях и интерпретации результатов тестирования пытаются свести реальную конструкцию изоляционного промежутка к некоторой его физической модели, удобной для восприятия получаемых результатов и формирования корректирующих мероприятий.

Обычно в качестве такой модели принимается конструкция двухслойного конденсатора Максвелла, так называемая Х-модель, которая по точности практически не уступает более сложной Х-У модели, учитывающей не только влияние барьеров, но и распорок на величину диэлектрического отклика. С ее помощью удается найти вид функции диэлектрического отклика — и выделить временные интервалы, в которых наибольшую роль играет тот или иной тип материала. Наличие границы раздела в таком двухслойном конденсаторе обуславливает появление особого вида поляризацииструктурной поляризации, подчиняющейся закономерностям релаксационной поляризации Дебаевского типа. Интенсивность этой поляризации и временной интервал, в котором она развивается, определяются свойствами контактирующих материалов. В результате предоставляется возможность оценивать состояние изоляционного промежутка по совокупности свойств материалов, работающих в нем. К тому же развиваемые подходы существенно расширяют существующий инструментарий и методологию контроля состояния эксплуатируемого оборудования.

II. Материалы, используемые для конструирования изоляционного промежутка силового трансформатора, представляющего собой систему, состоящую из специальным образом обработанной бумаги на основе природной целлюлозы и минерального масла, оказывается одной из важнейших систем, так как определяет надежность и эффективность работы трансформатора. Организация мониторинга и диагностики состояния работающего трансформатора, в конечном счете, сводится к определению состояния изоляционной системы и особенно ее твердой составляющейизоляционной бумаги. Именно поэтому, хотят авторы этого или нет, все методы современной диагностики сводятся в конечном итоге к оценке, пусть даже косвенно, состояния бумаги изоляционного промежутка.

Целлюлоза, основа изоляционных бумаг, как и все органические высокомолекулярные соединения, имеют склонность к старению, основным результатом которого является деградация полимерных цепей, приводящая к уменьшению степени полимеризации DP (величины молекулярного веса). Прочность бумаги — основного конструкционного элемента изоляционного промежутка, резко снижается. Устойчивость конструкции к действию механических нагрузок исчезает, приводя к отказу трансформатора в целом.

Основными причинами, приводящими к разрушению полимерных цепей, являются процессы пиролиза, гидролиза и окисления. Основными методами обеспечения надежной работы силового трансформатора, поэтому являются мероприятия, направленные на снижение рабочей температуры, снижение степени влажности и концентрации молекул свободного кислорода в объеме эксплуатируемого промежутка. Физическая природа современных методов оценки состояния работающего трансформатора также сводится к измерению температуры в объеме промежутка, определению степени увлажнения и степени полимеризации целлюлозы. Ошибка в оценке состояния изоляции при полном исчерпании ее ресурса по предельно допустимым значениям параметров находящихся под контролем:

— соотношение концентраций [С02]/[С0] «13;

— содержание влаги в масле 30 г/т;

— степень полимеризации полимерных цепей целлюлозы не выше 250, практически исключена.

III. Анализируя существующий опыт обеспечения требуемой эксплуатационной надежности работающего парка трансформаторного оборудования можно выделить основные моменты зарождающихся подходов к обеспечению качества и управления длительностью жизни системообразующих элементов энергообеспечения.

Прежде всего, следует отметить, что, не смотря на предпринимаемые усилия, все существующие методы практически не выходят за пределы качественных оценок состояния, которые при отсутствии надежной базы сравнения теряют свою ценность и информационную значимость. Поэтому на практике прибегают к многоплановым исследованиям состояния для чего увеличивают число контролируемых параметров. Контроль становится многопараметрическим.

Уделяется особое внимание разработке методов определения долговечности изоляционных промежутков, среди которых наибольшей достоверностью обладают методы предельных состояний и методы конечных точек, в которых в качестве параметра контроля используются величина степени полимеризации и степень изношенности работающих в промежутке материалов.

Отличительной особенностью наметившегося в работе направления развития системы является отказ от направленных проверок работающего оборудования с целью определения величины оставшегося ресурса времени и переход к организации эффективно действующей системы управления длительностью жизни (не только отдельного трансформатора, но и всей системы в целом).

Создание современных методов диагностики должно носить системный характер, когда решение о состоянии оборудования принимается не с помощью сопоставления результатов контроля с результатами предыдущих или исходных измерений, а на основе системного анализа, отражающего поведение некоторой общности однородного оборудования, позволяя тем самым построить эффективную систему управления длительностью жизни оборудования.

IV. Проблема получения достоверной оценки состояния маслонаполненного оборудования, как и любая многопараметрическая задача, не может быть решена с помощью формирования единичного параметра контроля, не обладающего возможностями комплексного или интегрального. Формируя спектр токов поляризации в удобном для анализа виде, в работе было обнаружено, что такие достаточно известные параметры диэлектрической среды, как 1уш, Яиз, г, Р1, ?>!) и др., являются по своей физической природе отдельными точками зависимости 7(/) = ^/,(0- Поэтому функциональная зависимость t-I (t) представляется характеристикой, обобщающей все электрические свойства изоляционного промежутка, которая в полной мере отражает его состояние.

Принятая в работе в качестве параметра контроля зависимость t-I (t) = f (t)] представляет собой кривую, проходящую через максимум, величина которого и положение на временной оси несут основную информацию о состоянии контролируемого изоляционного промежутка. Поэтому в работе при анализе токов поляризации особое внимание привлекает максимальное значение зависимости t-I (t)=f (t), которое обладает рядом интересных свойств. Во-первых, место нахождения максимального значения функции [t'I (t)] max соответствует временному интервалу7, в котором интенсивность структурной поляризации, связанной с наличием границы раздела масло — твердый диэлектрик, максимальна. Во-вторых, наблюдается достаточно хорошая корреляционная связь [t-I (t)mas, со значениями рассмотренных выше точечных параметров, что придает ему характер обобщающего параметра контроля. В-третьих, установленная на опыте зависимость /Ж1П =J[t-I (t)]mах является убедительным доказательством того, что предлагаемый в работе параметр контроля [t-I (t)]mах является структурно чувствительным и может служить теоретической основой метода контроля величины остаточного ресурса времени силового оборудования. И, наконец, в-четвертых, сильная корреляционная связь [t-I (t)]max с величиной комплексного показателя степени изношенности Q (t) еще раз свидетельствует о том, что данный параметр действительно отвечает требованиям общности, комплексности и интегральности. Все это позволило в работе придать данному параметру особый статус, воспринимая его как обобщенный (наиболее общий) индекс поляризации и обозначив его аббревиатурой (total polarization index) tpi= [t-I (t)]m.

Рассмотренный в работе метод разложения исходного спектра токов поляризации на составляющие его элементы (рис. 4.15) позволяет проводить раздельную оценку состояния контактирующих в промежутке материаловвысокая коррелированность значений tpi с остальными единичными параметрами (например, rP[ tpi = 0,98) предоставляет возможность установить взаимосвязь между основными параметрами промежутка и его состоянием в виде диаграммы (рис. 4.18) — устойчивая зависимость величины tpi промежутка от времени его эксплуатации, от степени изношенности работающих материалов в нем, от степени полимеризации целлюлозы определяют не только новизну полученных в работе результатов, но их высокую научно-практическую значимость.

V. Обеспечивая точность оценивания состояния изоляционных промежутков, в работе рассмотрены факторы, влияющие на точность определения значений контролируемых параметров. К таким факторам отнесены: проблемы современной электрометрии и методы аппаратурного их решенияизмерение температуры диэлектрической среды не как нагрузочного, а как влияющего фактораметоды оценки истинного сопротивления изоляционного промежутка, построение полигона сопротивлений. Показано, что корректный учет перечисленных факторов и коммерчески доступное аппаратурное оформление метода диагностики обеспечивают достоверность оценивания требуемого уровня.

Структурная (межслойная) поляризация, вносящая основной вклад в величину диэлектрического отклика, оказывается наиболее полезной для диагностики, так как проводимости масла (10″ 13 — Ю" 10 S/m) и бумаги (10~16 -10″ 13 S/m) существенно различны. Следовательно, если поставить под контроль процессы структурной поляризации, то предоставляется возможность контролировать состояние масла и бумаги одновременно, и как следствие этого состояние всего изоляционного промежутка. Для этого из всего диэлектрического отклика системы выделяется та его часть, которая определяется процессами установления структурной поляризации. Метод преобразования спектра поляризационных токов в последовательность поляризационных максимумов (рис. 5.19) позволяет анализировать состояние контактирующих материалов изоляционного промежутка раздельно.

Выявленные физические закономерности изменения вида поляризационного спектра во времени позволили предложить новый способ определения состояния и ресурса работающей изоляционной конструкции [207]. Суть его заключается в том, что экспериментально измеренный спектр поляризационного тока, представленный зависимостью Иаба (1), сопоставляется с некоторым семейством реперных кривых (рис. 5.20), каждая из которых получена опытным путем и отражает определенное состояние контролируемого промежутка и величину его ресурса. Количественно оцененная степень близости анализируемой зависимости к каждой из реперных зависимостей позволяет сформировать представление о состоянии контролируемого оборудования и величине его остаточного ресурса. Семейство реперных кривых, предварительно установленное экспериментально, в данном случае играет роль системы отсчета (градуировочная кривая), представленной в виде некоторой шкалы баллов.

Метод назначенного лидера (аналога), не меняя технологии оценивания, значительно упрощает решение проблемы формирования базы сравнения (системы отсчета). Программный модуль оценивания, представленный в виде информационной матрицы, дающий возможность сопоставлять в числовом виде поляризационный спектр контролируемого промежутка со спектром изделия, принятого за базу сравнения (аналога), позволяет исключить человека-эксперта из процесса формирования оценки состояния изоляционного промежутка и решать подобные задачи с помощью ЭВМ. В этом смысле предложенный метод представляет собой в первом приближении экспертную систему, действительно способную оценивать состояние изоляционного промежутка электротехнического оборудования различного типа.

Представление системы проконтролированных трансформаторов, представляющих собой технические изделия высокого порядка сложности, в виде техноценоза позволило использовать ранговый анализ. Использование при этом интервального оценивания распределения предоставило возможность определить объекты в составе техноценоза, имеющие аномальные значения контролируемого параметра. Применительно к электрическим параметрам изоляционного промежутка полагают, что если точка рангового распределения входит в доверительный интервал или располагается выше его, то в пределах гауссовского разброса параметров справедливо утверждение: данный объект по параметру главной изоляции не имеет отклонений. Если точка находится ниже доверительного интервала, то это свидетельствует о нарушении нормального состояния и является признаком присутствия дефекта. Построение ранговых распределений, к сожалению, позволяет установить только лишь наличие дефектных изделий. Информация о природе дефектов, их интенсивности и степени опасности практически отсутствует.

VI. Важнейшей особенностью метода детектирования состояния изоляционного промежутка с помощью измерения плотности тока поляризации/деполяризации и построение его спектра в заданном временном интервале является возможность выделения той части спектра, в которой свойства контактирующих материалов проявляются наиболее отчетливо. В результате удается оценивать их параметры и тем самым удерживать под контролем, как состояние бумаги, так и масла.

Применение метода цифрового сглаживания экспериментально полученной зависимости 1(0 позволяет не только установить вид функциональной зависимости с большой точностью, но и выделить осциллирующую часть тока, которая характеризует разрядную активность контролируемого изоляционного промежутка. Спектральная плотность разрядной активности промежутка, представленная в виде некоторой величины среднеквадратического отклонения контролируемой на опыте величине тока, считается важным диагностическим параметром, который хорошо коррелирует с величиной пробивного напряжения изоляционной конструкции и служит хорошим подтверждением физической модели развивающегося в промежутке дефекта.

Учитывая отсутствие эффективной базы сравнения, в работе для оценки состояния изоляционного промежутка используются методы, в которых база сравнения (правила принятия решения) формируются в процессе контроля некоторой совокупности однотипного оборудования (метод ранговых распределений). Применяемая при этом система уточняющих и подтверждающих процедур, позволяет подтвердить или установить физические закономерности, позволяющие отнести контролируемое изделие к одному из возможных состояний и тем самым раскрыть физическую природу развивающегося дефекта, его интенсивность и степень опасности.

Особое значение в этом случае играет метод «треугольника состояний», с помощью которого контролируемый объект может быть отнесен к строго определенной области треугольника, соответствующей установленному состоянию. В свою очередь каждая такая область отражает физическую модель процессов, развивающихся в работающем промежутке, и тем самым идентифицирует физическую природу обнаруженного нарушения, что делает метод эффективным диагностическим инструментом.

С целью формализации используемых методов и методических приемов оценки состояния изоляционного промежутка все они условно разделены на три, практически, самостоятельных блока, логически нацеленные на достижение конечного результата.

— Блок первичной обработки получаемой при контроле информации.

— Блок анализа информации, прошедшей первичную обработку.

— Система подтверждающих и уточняющих процедур, устанавливающая упорядочивающие взаимоотношения и логическую согласованность между значениями контролируемых параметров: //?/- Р1- ОйИР- ?% и др.

Представление результатов контроля состояния изоляционного промежутка, их анализа и логически следующего заключения в виде некоторой обобщенной структуры (таблицы), формализующей и облегчающей восприятие всего многообразия физически разнородных методов и методических приемов, обработки и анализа поступающей информации, вполне обосновано. Это делает итоговое заключение научно обоснованным, метрологически и аппаратурно обеспеченным решением актуальной технической задачи.