Разработка метода мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов в нагрузочных режимах

Актуальность работы.

Безаварийнаяработа силовых трансформаторов (СТ) как одного из основных видов электротехнического оборудования определяет надежность энергосистемы в целом. Уделяемое в последнее время внимание к проблемам безотказной эксплуатации и поддержанию работоспособного состояния СТ связано с рядом характерных особенностей современной мировой энергетики.

В числе определяющих факторов находится проблема старения-парка СТ. Около 40 — 50% трансформаторов в России, 50% в Европе и более 65% в США к настоящему времени отработало свой установленный срок службы (25 лет) [1]. Вместе с тем, развитие свободного рынка электроэнергии ведет к росту конкуренции и как результат желанию энергокомпаний повысить свою рентабельность, в частности, за счет снижения расходов на эксплуатацию и замену оборудования.

Расчеты ведущих экспертов [1] показали, что продление срока службы СТ дает большую выгоду, чем их замена на новые. В основе данного заключения лежит статистика обследований, свидетельствующая о наличии значительной доли СТ — 75%, отработавших свой установленный", срок службы, но находящихся в состоянии пригодном для дальнейшей эксплуатации.

Однако эксплуатация такого оборудования связана с рисками, определяемыми условиями его работы и продолжительностью срока службы, с увеличением которого возрастает и доля внезапных отказов.

Поэтому в противовес желанию компаний продлить срок эксплуатации СТ, выступает требование к надежности электроснабжения потребителей. Данные обстоятельства диктуют необходимость поиска компромиссных решений и пересмотра традиционных подходов к эксплуатации трансформаторного оборудования.

Применяемая ранее стратегия планово-предупредительных ремонтов становится малоэффективной в современных условиях, как по экономическим причинам (необоснованные издержки на обследование оборудования, не требующего срочного ремонта, и издержки от возможного недоотпуска электроэнергии, при выводе его в плановый-ремонт), так и по причине увеличения вероятности отказа оборудования, отработавшего свой установленный срок службы, в межремонтный период.

Переход к новой стратегии технического обслуживания по фактическому состоянию, и в перспективе к обслуживанию по прогнозируемой надежности, требует разработки новых и совершенствования существующих методов контроля СТ под нагрузкой [1].

Лидирующие позиции здесь занимают: методы хроматографического анализа растворенных в масле газов, измерения частичных разрядов, методы термографии, контроль вибро-акустических параметров.

Однако в условиях низкой достоверности диагностической информации, определяемой влияние негативных факторов, возникающих при работе контролируемого оборудования, и неоднозначности интерпретации результатов диагностирования наиболее эффективным признается использование комплексного контроля СТ [2].

Комплексность контроля достигается путем общей оценки технического состояния оборудования по результатам мониторинга и диагностирования его различных функциональных подсистем. При этом предпочтительным является использование дублирующих методов и многоуровневой структуры контроля.

Наблюдаемый в настоящее время рост мощности и частоты возникновения коротких замыканий (КЗ) в сети [3], обуславливает то, что среди наиболее распространенных и опасных повреждений заметное место занимают повреждения, оказывающие негативное влияние на механическое состояние обмоток СТ и в крайней форме представляющие собой остаточные механические деформации обмоток [1].

Среди существующих методов идентификации такого рода повреждений наиболее эффективными считаются методы тестового диагностирования — метод низковольтных импульсов и метод анализа частотных характеристикперспективны также подходы по повышению возможностей диагностирования за счет использования комбинации из двух методов — метода низковольтных импульсов и метода измерения сопротивления короткого замыкания в опыте короткого замыкания.

Однако отсутствие достаточно эффективных методов контроля механического состояния обмоток СТ под нагрузкой, пригодных для организации непрерывного мониторинга и принятия решения об отключении СТ для его дальнейшего комплексного диагностического обследования, снижает функциональные возможности существующих систем контроля" и затрудняет обслуживания СТ по их фактическому техническому состоянию, что в конечном итоге требует разработки новых методов.

Наибольшее разнообразие разрабатываемых методов возникло в результате попыток адаптации метода измерения для мониторинга механического состояния обмоток под нагрузкой. Столь пристальное внимание к данному методу связано с кажущейся простотой и экономичностью его реализации.

Кроме того, известная связь 2К с механическим состоянием обмоток [4] и накопленный практический опыт обследований СТ [1, 5−10] обеспечивают достаточно простую интерпретацию результатов — отличие 2К на 3% от измеренного ранее базового значения свидетельствует о недопустимых деформациях обмоток и требует проведения подробного обследования СТ.

Однако в связи с тем, что специфика определения 2К в опыте короткого замыкания не позволяет обеспечить достаточную точность результатов в нагрузочных режимах, то представляется необходимым поиск другого параметра, находящегося в зависимости с Zк, но имеющего методику расчета, позволяющую обеспечить достаточную точность для мониторинга данного параметра в нагрузочных режимах СТ.

Неоспоримым, преимуществом разработки метода мониторинга такого параметра являетсявозможность использования в качестве первичных данных только результаты измерений токов и напряжений на выводах СТ, что позволяет реализовать данный метод на базе существующих микропроцессорных устройств, имеющих функции цифровой регистрации электрических сигналов.

Цель работы.

Цель данной работы — разработка нового метода мониторинга механического состояния обмоток СТ, основанного на обработке результатов измерений входных и выходных токов и напряжений СТ в нагрузочных режимах работы.

Объектом исследований в данной работе являются как однофазные, так и трехфазные двухи трехобмоточные СТ, поэтому особое внимание уделяется обеспечению универсальности" разрабатываемых процедур мониторинга и особенностям их применения для различных типов СТ.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Проведение исследований, направленных на выбор параметра мониторинга, обладающего достаточной информативностью для оценки механического состояния обмоток СТ в нагрузочных режимах, и его обоснованиеисследование влияния параметров нагрузки, системы измерений, конструкции СТ, а также характеристик питающей сети на выбранный параметр мониторинга.

2. Разработка процедур мониторинга механического состояния обмоток СТ, учитывающих влияние параметров нагрузки, и питающей сети, а также оценка погрешностей и разработка процедур повышения достоверности результатов мониторинга. 3. Разработка алгоритма мониторинга, позволяющего выполнить программную реализацию метода на базе микропроцессорных устройств или программного уровня автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

4. Проведение экспериментальных исследований и практическая апробация разработанного метода мониторинга с использованием данных, полученных на СТ, эксплуатируемых в ЭС.

5. Разработка практических рекомендаций по организации мониторинга механического состояния обмоток СТ с использованием разработанного метода.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач в настоящей работе использовались: фундаментальные законы теоретических основ электротехники и положения теории трансформаторов, методы цифровой обработки сигналов, методы математической статистики, методы математического моделирования с помощью ЭВМ, методы физического моделирования, вычислительные и физические эксперименты.

При проведении исследований использовались прикладные пакеты программ MathCAD, MATLAB, MS Excel.

Достоверность результатов подтверждается строгостью теоретического обоснования, корректностью применения математического аппарата, результатами теоретических и практических исследований, оценкой точности полученных результатов.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Предложено использовать в качестве параметра мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов угол сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток.

2. Предложено использовать для описания зависимости угла сдвига фаз между напряжениями обмоток силового трансформатора от тока нагрузки уравнение гиперплоскости.

3. Разработан метод мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов в нагрузочных режимах.

Практическая значимость и реализациярезультатов работы.

1. Разработан метод мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов в нагрузочных режимах. Использование разработанного метода позволит расширить функциональные возможности существующих систем мониторинга и повысить эффективность обслуживания СТ по фактическому техническому состоянию.

2. Разработан алгоритм для программной реализации разработанного метода мониторинга механического состояния, обмоток СТ в нагрузочных режимах на базе микропроцессорных устройств или в качестве программного модуля АСУ ТП.

3. Проведена апробация разработанного метода мониторинга с использованием данных, полученных на объектах Томской ЭС. Выработан ряд практических рекомендаций по организации мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов с использованием разработанного метода в реальных условиях эксплуатации. Результаты работы были рассмотрены в Томском предприятии филиала ОАО «ФСК ЕЭС» — «МЭС-Сибири» (г. Томск), Томском филиале ОАО «ТГК-11» -Томская ГРЭС-2, где была дана положительная оценка возможности их дальнейшего использования.

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и были представлены на следующих конференциях: VII Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии» (г. Пенза,.

2007 г.) — Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника! и технологии» (г. Томск, 2008;2010 гг.) — III Международной научно-практической конференции «Энергосистема: управление, конкуренцияобразование» (г. Екатеринбург, 2008 г.) — II Всероссийскоймолодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность» (г. Омск, 2009 г.) — 54 Международной научно-практической конференции «Information Technology and Electrical Engineering — Device and Systems, Materials and Technologies for the future» (г. Ильменау (Германия), 2009 г.) — Международном форуме по стратегическим технологиям «International Forum on Strategie Technologies (IFOST 2009)» (г. Хошимин (Вьетнам), 2009 г.) — IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2009 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работы, включая 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК МОиН РФ- 3 патента РФ на изобретение и 3 патента РФ на полезную модель.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований, четырех приложений, содержит 42 рисунка и 31 таблицу. Общий объем диссертации составляет 201 страницу. Список источников литературы представлен в порядке упоминания в тексте. Номера формул состоят из двух цифр: первая — номер главы, вторая — порядковый номер формулы в главе.

4.6. Выводы по главе.

На основании результатов апро’бации можно сделать следующие выводы:

Г. Полученные результаты подтверждают, что использование методов математической статистики для снижения влияния случайных погрешностей на результаты мониторинга, позволяет получить удовлетворительный результат даже при сравнительно небольшом числе отсчетов п в выборке^ экспериментальных данных, классе точности используемых СИ 0,5″ и условиях цифровой’регистрации отличных от оптимальных. Рассчитанные в отсутствии изменения механического состояния обмоток значения фнблибо близки к нулю, либо находятся в пределах полосы незначимых отклонений, что подтверждает достоверность результатов мониторинга. В* совокупности с результатами апробации на математическим моделях СТ, подтверждающими работоспособность процедур основных этапов мониторинга при выявлении изменений механического состояния обмоток, результаты полученные при апробации алгоритма разработанного метода мониторинга на СТ, эксплуатируемых в энергосистеме, подтверждают работоспособность разработанного метода мониторинга в целом.

2. Полученные при апробации значения ср,(б ± Д09(фН (-), указывают на то, — что для обеспечения требуемой точности и достоверности результатов мониторинга на практикечисло режимов, необходимое для проведения расчетов: должно быть увеличеноПри этом необходимо — учитывать, что ввиду итерационного5 характера, первого этапа мониторинга его. продолжительность, будет зависеть от точности используемых СИ и особенностей электрической сети, в которой установлен СТ.

• 3. Результаты апробации, полученные для двухобмоточного трансформатора ТДГ-75 000/110У показали, что даже при влиянии значительного количества негативных факторов, которые-. могу быть устраненыпри надлежащей организации мониторинга, и малом: объеме экспериментальных данных, доверительный: интервалоценки среднего значения" отклонений: <рнб, составляет порядка 1/3 величиныкритического отклонения. Это указывает на возможность идентификации изменений механического состояния? обмоток СТ, характеризуемых^ изменением Хк менее чем на 3 '%: 4. Приведенные в данной главе результаты апробации разработанного метода мониторинга подтверждают его работоспособность в отношении различных типов СТ, то ес ть свидетельствуют о его универсальности.

5. Проведенный анализ существующих на электроэнергетических объектах схем цифровой регистрации: и полученных с их, использованием результатовапробации, позволилвыработать ряд рекомендаций направленных на повышение эффективности различных этапов мониторинга и повышение достоверности его конечных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Из результатов экспериментальных и теоретических исследований, полученных в ходе выполнения данной диссертационной работы, выделим наиболее значимые, позволяющие сформулировать общие выводы по работе:

1. Предложено использовать в нагрузочных режимах СТ в качестве параметра мониторинга механического состояния обмоток и, как альтернативу сопротивлению короткого замыкания, определяемому для отключенного и расшинованного СТ, угол сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток. Как показали результаты исследований, такое решение позволяет избежать необходимости использования процедур приведения электрических параметров СТ к одной системе переменного тока, а также осуществлять мониторинг данного параметра вне зависимости от количества обмоток и наличия электрической связи между ними.

2. Исследованы особенности применения различных методов оценки параметра мониторинга и сформулированы рекомендации по использованию рассмотренных методов в зависимости от частоты дискретизации используемых устройств цифровой регистрации токов и напряжений трансформатора.

3. Исследовано влияние параметров нагрузки, питающей сети и конструкции СТ на параметр мониторинга. С учетом полученных результатов предложено использовать для аппроксимации зависимости параметра мониторинга от параметров нагрузки уравнение гиперплоскостиисследованы факторы, определяющие вид уравнения гиперплоскости, для различных типов СТ. Результаты исследований показали, что в условиях несимметричной нагрузки ограничивающим фактором для использования разработанного метода является схема соединения трехфазных обмоток СТ.

Разработанные рекомендации по выбору вида уравнения гиперплоскости учитывают влияние данного фактора, при этом для случая трехобмоточных.

СТ и двухобмоточных СТ с расщепленной обмоткой, при наличии двух.

173 первичных обмоток соединенных по схеме треугольника, применение разрабатываемого метода возможно только для режима симметричной нагрузки. Исследованы различные методы, определениям параметров: уравнениягиперплоскости — наибольшую эффективность обеспечивает метод главных компонент, позволяющий учесть, влияние случайной погрешности измерений на результаты мониторинга. 4. Разработан двухэтапный метод мониторинга: механического состояния" обмоток СТ, в которомв качестве* входной информации используются! массивы мгновенных, значений токов и напряжений СТ, регистрируемые в нагрузочных режимах, а в качестве параметра мониторинга — углы сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток. Разработанный метод позволяет определять базовые значения параметра: мониторинга: и относительные отклонения, результатов измерений от базовьк величин с учетом влияния шараметров: нагрузки и: питающей! се-ти.

5-. Проведена^ апробациям процедур основныхэтапов мониторинга, на математических моделях двухи трехобмоточных СТ. Результаты апробации подтвердили,, что изменения сопротивления: Хк обмоток вызывает пропорциональные изменения параметра мониторинга, которые могут бытьидентифицированы независимо от величины и состава нагрузки: СТ, что подтверждает работоспособность апробируемых процедурмониторинга по идентификации изменений механического1 состояния обмоток, связанных с их радиальными деформациями. .

6. Проведена оценка влияния методических иинструментальных погрешностей на результаты мониторинга. Результаты оценки показали, что при наиболее неблагоприятных условиях — классе точности используемых СИ равном 0,5, систематическая погрешность оценки относительного отклонения параметра мониторинга не: превышает 25%, что обеспечивает возможность выявления изменений механического состояния: обмоток, характеризуемых 3' % критическим отклонением сопротивленияХк.

Влияние методических погрешностей разработанного метода мониторинга, приводит к появлению систематических погрешностей оценки относительного отклонения параметра мониторинга, не превышающих 0,15%. Рассмотрены вопросы использования: методов математической/статистики для снижения, влияния случайных погрешностей на результатымониторингаОпределена последовательность процедур, позволяющих. снизить влияние случайных погрешностей и повысить, достоверность результатов мониторинга.'.

7. Разработаны процедуры определения пороговых уровней отклонений параметра мониторинга, отвечающие: требованиям к достоверности результатов мониторинга и учитывающие вероятностный характер оценки отклонений. Решения, принимаемые по результатам превышения границ пороговых уровней отклонений, должны определяться стабильностью характера тренда отклонений и степенью ответственности СТ. Необходимо отметить, чтоназначение разработанногометода мониторинга заключается в предоставлении1 информации, которая может рассматриваться в качестве симптомоввозможного повреждения и на основании которой может быть принято решение об отключенииСТ и проведении его комплексного обследования. Задача постановки точного диагноза с возможной локализацией повреждения и принятия решения о дальнейшей эксплуатации силового трансформаторадолжны решаться на уровне экспертных систем с использованием методов тестовой диагностики.

8. Разработан алгоритм, реализующий разработанный метод мониторинга. Разработанный алгоритм позволяет обеспечить адаптивность метода в условиях измененияположения устройств регулирования напряжения, наличия результатов измерений отклонений сопротивления короткого замыкания, индивидуальности метрологических характеристик используемых средств измерений^ особенностей объекта мониторинга и его схемы, измерений. Разработанный алгоритм может быть использован для программной реализации разработанного метода мониторинга на базе микропроцессорных устройств или в виде дополнительной утилиты программного уровня АСУ ТП.

9. Проведена апробация разработанного метода мониторинга по экспериментальным данным, полученным для трехфазных двухи трехобмоточного трансформаторов, а также автотрансформатора, эксплуатируемых на объектах Томской энергосистемы. Полученные результаты подтверждают эффективность использования методов математической статистики для снижения влияния случайных погрешностей на результаты мониторинга. Комплексная оценка результатов апробации, полученных для СТ, эксплуатируемых в энергосистеме, и для математических моделей СТ подтверждает вывод о работоспособности разработанного метода мониторинга и указывает на возможность его использования на данных СТ.