Определение диагностических параметров магнитной системы трансформаторов в режиме искусственного намагничивания

Актуальность работы. С увеличением срока службы силовых трансформаторов в энергосистеме становится актуальным вопрос их безаварийной работы. Это, в свою очередь, ставит проблему качественной диагностики для выявления возможных дефектов магнитной системы трансформатора, что важно при решении вопроса о дальнейшей эксплуатации длительно работавших трансформаторов.

Известен способ диагностики магнитной системы путем измерения потерь холостого хода при малом напряжении. Измеренные пофазно потери сравнивают между собой и с результатами предыдущих испытаний. При этом результаты измерений потерь холостого хода сильно зависят от величины остаточного намагничивания сердечника трансформатора, являющегося следствием внезапного обрыва тока при отключении трансформатора. Уровень остаточного намагничивания является случайной величиной и зависит только от фазы тока в момент отключения трансформатора.

Для получения достоверных результатов потерь в стали магнитопровод трансформатора необходимо размагнитить. Процедура размагничиваниядовольно сложный и длительный процесс. Отсутствие возможности проконтролировать остаточную намагниченность сердечника не позволяет однозначно утверждать, что сердечник размагничен до нулевого значения остаточной индукции. Таким образом, измерив потери холостого хода, невозможно однозначно определить, является ли разброс значений результатом остаточного намагничивания или развивающегося дефекта.

В процессе эксплуатации трансформатора могут возникнуть дефекты, обусловленные изменением геометрии магнитных конструкций под действием магнитного поля, которые проявляются только в рабочем режиме и исчезают со снятием магнитного поля. Выявить такие дефекты, измеряя потери холостого хода при малом напряжении, практически невозможно, так как получаемые результаты не превышают допустимые отклонения.

В связи с этим, актуальной является разработка способа диагностики магнитной системы трансформатора, основанного на искусственном намагничивании сердечника трансформатора и определении диагностических параметров по результатам измерения потерь холостого хода при малом напряжении.

Цель работы — разработка способов определения диагностических параметров магнитной системы трансформатора в режиме искусственного намагничивания.

Для реализации сформулированных целей необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать способ искусственного намагничивания магнитопровода трехфазного трансформатора во время измерения потерь холостого хода при малом напряжении.

2. Определить и обосновать диагностические параметры, измеряемые в режиме искусственного намагничивания.

3. Разработать алгоритмы проведения измерений и обработки результатов измерений для нахождения диагностических параметров.

4. Исследовать влияние дефектов на изменения диагностических параметров.

5. Создать программное обеспечение для автоматизации процесса определения диагностических параметров.

Объект исследования. Объектом исследования в представленной работе являются трансформаторы, в том числе — трехфазные силовые трансформаторы, используемые в электроэнергетике.

Методы исследования. В работе использованы методы и положения теории электрических цепей, теории электрических машин и теории обработки сигналов. Исследования проводились с применением численных методов и программ для ЭВМ, натурного эксперимента на трансформаторах. Научная новизна полученных результатов: 1. Разработан способ определения потерь на гистерезис и вихревые токи по результатам аппроксимации вольт-ваттных характеристик.

2. Исследовано влияние асимметрии характеристик крайних фаз трансформатора на распределение потерь холостого хода в элементах трехфазной магнитной системы в режиме намагничивания. Обнаружено, что различие потерь в крайних фазах может быть вызвано не только появлением короткозамкнутого контура в одной из фаз, но и изменением магнитного сопротивления в зоне стыков стержней и ярма.

3. Исследовано влияние габаритных размеров магнитопровода на отношение потерь холостого хода при намагничивании центрального стержня к потерям при намагничивании крайнего стержня. Выявлено, что в состоянии насыщения отношение потерь в малой степени зависит от постоянного тока намагничивания, а в основном связано с геометрическими размерами магнитной системы.

4. Исследовано влияние дефектов магнитной системы на составляющие потерь на гистерезис и вихревые токи в режиме искусственного намагничивания трансформатора. Выявлено, что соотношение составляющих потерь изменяется при образовании короткозамкнутых контуров и повреждении межлистовой изоляции.

5. Исследовано влияние дефектов на гармонический состав тока холостого хода трансформатора при намагничивании сердечника постоянным током. Обнаружено изменение мощности гармоник тока холостого хода при образовании короткозамкнутых контуров и изменении степени прессовки ярмовых балок.

Практическая ценность представляемой работы заключается в следующем:

1. Разработан способ искусственного намагничивания магнитопровода трехфазного трансформатора без применения дополнительной обмотки и вскрытия бака, позволяющий повысить чувствительность методов диагностики.

2. Предложены диагностические параметры, отражающие потери на гистерезис (Л]), вихревые токи (Л2) и отношение этих потерь (А 11Л2).

3. Предложены диагностические характеристики, отражающие зависимости потерь на гистерезис (А=/(1и^)), вихревые токи (Л2=/(/Нам)) и их отношения (АIАг=Л1иы)) от величины постоянного тока намагничивания.

4. Разработано программное обеспечение для определения диагностических параметров^] (потери на гистерезис) иЛ2 (потери от вихревых токов) по результатам измерения вольт-ваттных характеристик.

5. Предложена диагностическая характеристика ($/(П1)), отражающая зависимость мощности гармоник тока холостого хода трансформатора от величины постоянного тока намагничивания.

На защиту выносятся:

1. Способ диагностики магнитной системы трансформатора в режиме намагничивания сердечника постоянным током.

2. Методика выявления дефектов в магнитной системе трансформатора, основанная на использовании параметров, отражающих потери на гистерезис, вихревые токи и их отношение.

3. Методика выявления дефектов в магнитной системе трансформатора, основанная на использовании мощности гармонических составляющих тока холостого хода трансформатора в режиме намагничивания. Обоснованность и достоверность результатов и выводов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, корректностью исходных предположений и допущений, успешной реализацией ряда основных положений работы в практических исследованиях на реально действующем оборудовании.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и определении путей получения их решения, в создании программного обеспечения для обработки измеренных данных, проводил все измерения, обработку и анализ экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2007) — Четырнадцатой и Пятнадцатой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008, 2009) — Третьей молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008) — Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 — в изданиях, рекомендованных ВАК (2 в издании, рекомендованном ВАК по специальности диссертации) — получено одно свидетельство на патент и одно решение о выдаче патента.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, библиографии и приложений. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 1 таблицубиблиографический список включает 68 наименований.

142 Выводы.

1. Измерение вольт-ваттных характеристик возможно провести с помощью измерительных комплектов типа К540 (К505) или с помощью цифрового двухканального осциллографа. Для облегчения процесса учета собственного потребления измерительных комплектов (К505, К540) разработана программа для персонального компьютера, которая позволяет выполнять измерения с полной детализацией положений режимных переключателей для каждого из типов измерительной аппаратуры. В случае измерения вольт-ваттных характеристик цифровым осциллографом к одному каналу подключается датчик тока ко второму датчик напряжения. Обработка результатов измерений экспериментально полученных вольт-ваттных характеристик и нахождение параметров А, А2 выполняется с помощью разработанного программного обеспечения. Измерение характеристики заключается в записи тока холостого хода, с помощью цифрового осциллографа, при одном значении напряжения, приложенного к обмоткам трансформатора, для разных значений постоянного тока намагничивания. Обработка данных записанных осциллографом, определение гармонического состава тока холостого хода выполняется с помощью разработанной программы.

2. Определение параметров, А и Л2 трансформатора напряжения марки ЗНОМ-Ю проводилось для нормального и дефектного состояния. Дефект представляет собой искусственно созданный короткозамкнутый виток по внешнему слою обмотки высокого напряжения. Результаты измерений показывают, что в случае короткозамкнутого витка составляющая потерь на гистерезис (Аг) уменьшается, при этом увеличивается составляющая потерь на вихревые токи (Л2). Значение параметра Л1/Л2 при короткозамкнутом витке значительно меньше, чем в нормальном состоянии. Изменение параметра А! А2 составляет 24.4%. Изменение потерь холостого хода АР равно 5.5%.

3. Измерение параметров, А и А2 при разных токах намагничивания проводились на трансформаторе ТМ-100/10 в нормальном состоянии и при наличии искусственно созданного повреждения межлистовой изоляции стали магнитопровода. Объем пакета с нарушенным изоляционным покрытием составляет 0.99% от общего объема стали магнитопровода. Повреждение межлистовой изоляции вызывает увеличение потерь на вихревые токи и уменьшение потерь на гистерезис. При увеличении тока намагничивания потери на вихревые токи незначительно превышают потери в нормальном состоянии, но из-за повышения индукции в неповрежденной части магнитопровода увеличиваются потери на гистерезис. Нарушение межлистовой изоляции стали приводит к увеличению потерь холостого хода, измеренных без намагничивания, на 1.96% по сравнению с нормальным состоянием. Среднее значение абсолютных величин разности отношений А1А2 дефектного и нормального состояния составляет 5.1%.

4. Измерение характеристики А/А2 при разных токах намагничивания на трансформаторе ТМН-2500/110 показало значительное отличие результатов при замкнутой фазе с и замкнутых фазах Ь, а. Осмотр активной части магнитопровода во время проведения ремонтных работ позволил обнаружить, что распорные винты, используемые для предотвращения смещения активной части при перевозках и разгрузочно-погрузочных работах, не были переведены в эксплуатационное состояние. Распирающие винты, находящиеся в транспортном положении, могут образовывать контуры для циркуляции нерасчетных вихревых токов и как следствие приводить к возникновению нагрева и подгара в месте соприкосновения винтов и ярмовых балок. Типовые испытания трансформатора не позволяют выявить данный вид дефекта монтажа. Испытания в режиме намагничивания позволяют выявить асимметрию распределения потерь в объеме магнитопровода трансформатора.

5. Характеристика измерялась для трансформатора марки ТМ-100/10. В магнитной системе и обмотках трансформатора искусственно создавались такие дефекты как короткозамкнутый контур, нарушение межлистовой изоляции и ослабление стяжки ярмовых балок. Дефекты без резко изменяющихся характеристик, такие как короткозамкнутый контур, «электромагнитная линза», вызывают уменьшение мощности составляющей 150 Гц по сравнению с нормальным состоянием. Наиболее значительное отклонение мощности второй и третьей гармоники вызывает ослабление стяжки ярмовых балок, которое наряду с изменением электрических параметров вызывает изменение резонансных свойств электромеханической системы магнитопровода трансформатора. Зависимость изменения мощности гармоник тока холостого хода от величины постоянного тока намагничивания может применяться для оценки изменения состояния магнитной системы и обмоток трансформатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Разработан способ повышения чувствительности метода измерения потерь холостого хода путем искусственного намагничивания сердечника трансформатора от источника постоянного тока для исключения влияния остаточного магнетизма на результаты измерений.

2. Предложен диагностический параметр КЬа (КЬс), отражающий отношение потерь холостого хода при намагничивании центрального стержня к потерям при намагничивании одного из крайних стержней трехфазного трансформатора.

3. Предложен диагностический параметр Кас, отражающий асимметрию потерь холостого хода при намагничивании крайних стержней магнитопровода.

4. Предложен способ измерения вольт-ваттных характеристик трансформатора в режиме намагничивания сердечника трансформатора.

5. Разработан способ обработки результатов измерений вольт-ваттных характеристик для нахождения диагностических параметров А, Л2 и А1А2, отражающих величину потерь на гистерезис, вихревые токи и их отношение. Диагностические параметры Аь А2 и А/А2 могут определяться при проведении опыта холостого хода в режиме искусственного намагничивания. Получаемые зависимости потерь на гистерезис, вихревые токи и их отношение от постоянного тока намагничивания отражают состояние активной части трансформатора.

6. Исследовано влияние дефектов на измеряемые диагностические параметры А, А2 и А/А2. Короткозамкнутый контур уменьшает значение коэффициента Л1, а увеличение потерь от вихревых токов вызывает увеличение коэффициента А2, соответственно уменьшается параметр А/А2. При намагничивании, диагностический параметр А1А2 имеет существенно меньшее значение по сравнению с нормальным режимом. Нарушение изоляции пластин электротехнической стали магнитопровода вызывает вытеснение магнитного поля в неповрежденную часть магнитопровода, что приводит к росту А. В объеме «электромагнитной линзы» так же возрастают квадратичные потери, однако при намагничивании постоянным магнитным полем вследствие насыщения материала магнитопровода и уменьшения вихревого тока в «электромагнитной линзе» наблюдается увеличение диагностического параметра А! Аг.

7. Разработано программное обеспечение для автоматизации процесса определения диагностических параметров, А и А2 по результатам измерения вольт-ваттных характеристик.

8. Предложена диагностическая характеристика з/(т) отражающая зависимость мощности гармоник тока холостого хода от величины постоянного тока намагничивания. Характеристика ?/(,") может служить критерием для оценки отклонений связанных со старением сердечника трансформатора, а также выявления изменений его геометрических параметров.

9. Исследовано влияние дефектов на характеристику Б/{т) второй и третье гармоники. Дефекты без резко изменяющихся характеристик в процессе проведения испытаний, такие как образование короткозамкнутого контура, «электромагнитной линзы», вызывают уменьшение мощности составляющей третьей по сравнению с нормальным состоянием, на характеристику второй гармоники данные дефекты влияют незначительно. Наиболее сильные изменения характеристик вызывает ослабление стяжки ярмовых балок.

Результаты теоретических и практических исследований, полученные в настоящей работе, показывают перспективность диагностирования трансформаторного оборудования в режиме искусственно намагничивания. Измерение предложенных диагностических характеристик и включение их в технический паспорт вновь изготовленных трансформаторов позволит отслеживать в будущем состояние трансформатора в процессе эксплуатации. Проведение дальнейших исследований с целью создания базы данных на основе обследования дефектных трансформаторов позволит создать эффективную методику оценки технического состояния трансформаторного оборудования.

Прежде всего, я хочу поблагодарить моего научного руководителя Козлова Владимира Константиновича за оказанное терпение, руководство и постоянное внимание к работе. Я хотел бы поблагодарить всех тех, кто помогал и поддерживал меня во время выполнения настоящей работы.