Метод, алгоритмы и средства диагностирования маслонаполненного электроаппарата с системой активной циркуляции жидкого диэлектрика

Надежность обеспечения потребителей электрической энергией предъявляет высокие требования к техническому состоянию системы электроснабжения в целом и отдельным ее элементам в частности. Одной из основных составных частей системы электроснабжения являются маслонаполненные электроаппараты (МНЭА). В условиях, когда значительная часть силового электрооборудования, находящегося на балансе предприятий энергетики, выработала свой ресурс, или близка к этому пределу, актуальным становится вопрос о продлении его ресурса и обеспечение необходимого запаса прочности. Одной из возможностей обеспечения требуемого уровня надежности МНЭА во время эксплуатации является своевременная его профилактика, на основе тщательно взвешенных, объективных критериев.

В настоящее время комплексная оценка состояния маслонаполненных трансформаторов, автотрансформаторов, высоковольтных вводов и реакторного оборудования основывается на оценке 53 различных показателей. Это связано с большими затратами материальных и трудовых ресурсов, с внеплановыми остановками электрооборудования, и приводит к недоотпуску потребителям электрической энергии.

В диссертационной работе проработана задача предварительного, «индикаторного» диагностирования МНЭА по определенным, в ходе проведенных исследований, параметрам ДП. Это позволяет объективно оценивать состояние электроаппарата в любой момент времени и выдавать достоверные, научно обоснованные рекомендации по дальнейшему углубленному анализу его электрической изоляции. Появляется также возможность, не снижая показатели надежности электроаппарата, отодвигать по времени проведение на нем плановых профилактических работ, отказаться от проведения периодического диагностирования и снизить затрату ресурсов.

Актуальность проблемы.

Обеспечение надежной работы энергетической системы России, бесперебойное снабжение потребителей невозможно без комплексного подхода к вопросам производства, передачи и потребления электрической энергии [1].

Немаловажная роль в обеспечении надежной работы всей энергосистемы принадлежит МНЭА [2]. К 2000 году, по оценкам экспертов мощность, отработавшего свой ресурс оборудования, возрастет и достигнет 35,3 млн. кВт (17,2%), к 2005 году — 55 млн. кВт (26,8%). По АО «ТАТЭНЕРГО» нормативный срок отработали 53% трансформаторов на электростанциях и 26%) в электрических сетях [3], по АО «МАРИЭНЕРГО» — 17%) трансформаторов. В этих условиях, для обеспечения требуемого уровня надежности, особенно актуальной становиться диагностирование эксплуатируемого оборудования.

Традиционная система диагностирования создавалась с расчетом на оборудование с достаточным ресурсом и мало эффективна для электроаппаратов, выработавших свой ресурс. Возникла необходимость в применении новых, более совершенных методов диагностирования и в новых подходах к системе диагностики в целом [4]. Также возникла необходимость в переходе от планово-периодической системы определения состояния электрической изоляции МНЭА в ИЛ предприятий энергетики к научно-обоснованному (по анализируемым показателям) диагностированию, непосредственно в работающих устройствах [5].

Адекватное, в режиме реального времени, реагирование на причины возможных отказов электрооборудования невозможно без постоянного автоматизированного их диагностирования. Появление и быстрое развитие микропроцессорной техники позволяет принципиально по новому подойти к процессу диагностирования МНЭА в целом и к разработке и изготовлению ТСД в частности. Комплексный подход к оценке состояния электрической изоляции маслонаполненных трансформаторов и автотрансформаторов опирается на 53 показателя [6,7], которые рекомендованы к применению, для обеспечения объективности их диагностирования. Методы измерения контролируемых показателей отличаются широким разнообразием. Они могут быть как довольно простыми, так и трудновыполнимыми. Кроме этого стоимость работы по проведению диагностирования МНЭА довольно высокая. В этих условиях, особенно актуальным и очевидным становиться вопрос о необходимости научного обоснования проведения, рекомендуемых в [6,7], работ. Вывод МНЭА на профилактику и проведение диагностирования состояния его электрической и и и и изоляции нежелателен при условии безаварийной, нормальной работы устройства. В тоже время возникновение непрогнозируемой аварии может говорить о недостоверности технического диагноза или о запаздывании в принятии решения о конкретном реагировании на возникшую аварийную ситуацию. Из вышеизложенного следует, что ТСД, предназначенное для оценки работоспособности МНЭА на ранней стадии развития дефектов, должно быть простым, надежным, автоматизированным прибором, постоянно диагностирующим ОД при низких эксплуатационных затратах, реагирующим на все или большинство негативных воздействий, приводящих в конечном итоге, к его остановке. Таким прибором или своего рода компьютерным датчиком может стать устройство, предназначенное для проведения анализа и оценки значения Т д суммарного содержания газов в единице объема трансформаторного масла. Актуальность рассматриваемой научной проблемы также выходит из перечня актуальных тем для очередной сессии СИГРЭ, приведенньгхв [8].

Научная и техническая новизна работы.

Научная новизна диссертационной работы сформулирована далее по тексту в виде тезисов и состоит из шести основных пунктов:

1.Предложена новая, дополненная и измененная схема диагностирования МНЭА, позволяющая проводить непрерывный, автоматизированный, «индикаторный» анализ его состояния.

2.0пределены два ДП, параметры которых объективно отражают развитие во времени большинства негативных процессов, происходящих в электрической изоляции МНЭА. Первый ДП — значение Т на входе САЦ электроаппарата. Второй ДП — значение ОУ.

В основе идеи поиска ДП лежит базовый вывод о том, что любое негативное воздействие на изоляцию вносит в нее возмущение в виде определенной порции энергии (Е). Раскладывая Е на составные части видно, что она состоит из суммы двух составляющих Елл и Ел, [9]. Можно записать:

Е = Е. р+Е", (1.1) где Елр — энергия частичных разрядов;

Ел — тепловая энергия.

Елр расходуется на ионизацию атомов, разрушение молекул диэлектриков и в виде теплоты на повышение значения Т всего МНЭА. Под воздействием Елл идет распад относительно крупных молекул диэлектриков на молекулы с меньшей молекулярной массой и, вследствие этого, появляются, в том числе, углеводородные газы и водород. Отсюда становится очевидным, что, выбирая, в качестве ДП значение Т и величину суммарного содержания газов в единице объема трансформаторного масла Су, можно отслеживать большинство процессов, связанных с разрушением электрической изоляции МНЭА.

3. Разработан алгоритм определения работоспособности МНЭА.

4. Построен алгоритм поиска координат (зон) тепловых дефектов внутри корпуса диагностируемого МНЭА,.

5. Разработаны алгоритмы диагностирования и процесса диагностирования МНЭА.

6. Показано, что измеряемые, автоматизированным прибором параметры необходимо привязывать к конкретному МНЭА, т. е. предварительно определять его уровень «нормы» или нуля.

Техническая новизна диссертационной работы заключается в том, что датчики разработанного ТСД устанавливаются в устройство контроля изолируюш, их жидкостей, которое защищено патентом на изобретение № 2 125 272, опубликованного в бюллетене № 2 за 1999 год.

Практическая ценность работы.

1.В результате анализа, используемой в настоящее время на предприятиях энергетики, схемы диагностирования изоляции МНЭА выявлены ее недостатки, уменьшающие достоверность выдаваемого технического диагноза. Предложена новая, измененная и дополненная схема диагностирования, в которой устранены имеющиеся недостатки.

2. Разработан автоматизированный прибор для измерения Т и ОУ, работающий непосредственно на МНЭА во время его эксплуатации.

3. Разработан лабораторный макет прибора для измерения количества водорода и влаги в емкости над исследуемой жидкостью.

4.Предложен новый способ определения координат (зон) теплового дефекта в баке МНЭА, основанный на измерении значения Т на входах САЦ и анализе физической или расчетной модели гидравлической системы электроаппарата. Разработан алгоритм поиска координат.

Защищаемые положения.

1 .Разработанная диагностическая модель МНЭ А.

2. Алгоритм определения работоспособности МНЭА.

3. Алгоритм поиска координат тепловых дефектов.

4. Алгоритмы диагностирования и процесса диагностирования МНЭА.

Апробация работы.

Результаты работы, полученные в ходе проведения научных исследований и выводы, сделанные на их основе, в течение ряда лет докладывались на следующих научно-технических конференциях:

— в 1994, 95, 96 — на V, VI, VII международных научно-технических конференциях «Тонкие пленки в электронике». Йошкар-Ола — Москва — КиевХерсон.

— в 1996 — 97 г. — на I и II междисциплинарной научной конференции «Вавиловские чтения». Йошкар-Ола.

— в 1997 г. — на VII международной научно-технической конференции. Череповец.

— в 1997 г. на VI международном симпозиуме «Фотонное эхо и когерентная спектроскопия». Йошкар-Ола — Кленовая гора.

— в 1997 г, на научно-практической юбилейной конференции МарГУ, Йошкар-Ола.

— В 1998, 2000 г. — на XV и XVII международной межвузовской школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики». Йошкар-Ола.

Обсуждались в журнале «Заводская лаборатория» № 3 за 1995, № 1 за 1997, в сборнике SPIE, США, 1997, журнале «Проблемы энергетики» № 3−4, за 1999.

Получен патент № 2 125 272. Устройство контроля изолируюп]-их жидкостей. Бюллетень изобретений № 2 от 20.01.99.

По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 .Объекты диагностирования.

Рассматриваемыми в настоящей работе ОД являются МНЭА, имеющие в своем составе системы активной циркуляции ЖД. К САД МНЭА относятся системы охлаждения и регенерации где перемешивание или нагнетание ЖД осуществляется механическими насосами. К таким устройствам относятся маслонаполненные трансформаторы и автотрансформаторы.

Классификацию МНЭА можно осуществлять по напряжению, по габаритам и по виду применяемой в них системы охлаждения.

По напряжению трансформаторы и автотрансформаторы можно разделить на шесть классов: до 15 кВ, 15 35 кВ, 60 -г-150 кВ, 220 ч- 500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ.

Разделение по габаритам осуществляется на восемь типоразмеров, в зависимости от мощности нагрузки МНЭА и от напряжения, прикладываемого к его высоковольтному вводу. Имеется также высоковольтное электрооборудование с рабочим напряжением свыше 330 кВ, которое не входит в перечисленные в табл.

1.1 габариты.

Таблица 1.1.

Габарит Мощность, кВА Напряжение, кВ.

1 до 100 до 35.

2 100л1000 «.

3 1000Л6300 «.

4 Свыше 6300 «.

5 до 32 000 35-ь 110.

6 32 000 ч-80 000 «.

Продолжение табл. 1.1.

7 80 000 ч- 200 000 до 330.

8 Свыше 200 000 «.

В России, классификация МНЭА осуществляется также по виду используемой системы охлаждения в соответствии с [10]. В МЭК применяется своя классификация. В табл. 1.2 показано обозначение систем охлаждения МНЭА по данным ГОСТ 11 677– — 85 и МЭК и дана краткая их характеристика.

Таблица 1.2.

Обозначение Способ охлаждения.

ГОСТ 11 677–85 МЭК М д.

МУ.

НМУ ду.

ПДУ Ц

НУ.

01А1 Естественная циркуляция масла и воздуха.

01АГ Принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла.

ОГА1 Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла ненаправленным потоком.

ОБА! Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла направленным потоком.

ОРАГ Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла.

ОВАР Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла.

ОР\Т Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла.

ОВТО Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла.

Из вышеприведенной классификации МНЭА к рассматриваемым в настоящей работе ОД относятся устройства напряжением выше 15кВ, 3 — его и выше габаритов и систем охлаждения МУ, НМУ, ДУ, ИДУ, Ц, НУ.

Выводы.

1. Техническая реализация методов определения содержания влаги и водорода в жидких диэлектриках с использованием кварцевых пьезоэлектрических резонаторов и определения суммарного содержания, растворенных в масле силовых электроаппаратов газов, дополняя метод «индикаторного», непрерывного анализа температурного состояния МНЭА позволит полновесно диагностировать объекты с большим сроком эксплуатации.

2. Метод «непрерывного» диагностирования МНЭА с использованием в качестве обобщенного интегрального параметра значение измеренной на входах САЦ температуры дополняет остальные, используемые в энергетике методы, позволяет оптимизировать технологический процесс диагностирования и повышает надежность работы электрических аппаратов.

3. Оптимизация схемы диагностирования МНЭА позволяет снизить эксплутационные расходы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе написания кандидатской диссертационной работы были проработаны следующие научные и технические задачи:

1.После проведения анализа, используемой на предприятиях энергетики схемы диагностирования МНЭА, выявлены ее слабые места и основные недостатки. Решен вопрос по устранению этих недостатков путем изменения и дополнения схемы диагностирования. Показано, что для своевременного выявления возникающих на МНЭА дефектов необходимо непрерывные его диагностирование на основе определенных, в ходе проведения исследований, показателей.

2.Выявлены два ДП, которые охватывают большинство негативных явлений, происходящих в МНЭА, объективно отражают процесс развития дефектов, удовлетворяют требованиям по автоматизации ТСД, минимальной стоимости процесса диагностирования и простоте выполняемых работ.

3. Разработана ДМ МНЭА, которая представляет собой дискретную модель непрерывного ОД. Показано, что в МНЭА отдельные дискретные части, условно ограниченные САД, не оказывают значительного теплового влияния друг на друга. Поэтому, допуская, что в МНЭА одновременно возникает только один тепловой дефект, в одной дискретной части и далее сравнивая значения температуры этих частей можно определить работоспособность всего МНЭА в целом.

4. Построен машинный алгоритм определения работоспособности МНЭА по измерению значения температуры на входах САЦ и написана демонстрационная программа.

5. Построен алгоритм поиска в баке МНЭА зоны теплового дефекта и написана демонстрационная программа.

6. На основе базовых алгоритмов определения работоспособности, поиска дефектов и прогнозирования построены алгоритмы диагностирования и.

Процесса диагностирования МНЭА при определении работоспособности и поиске теплового дефекта в баке.

У.Показано, что каждый отдельно взятый МНЭА является уникальным изделием, со свойственными только этому объекту характеристиками и что техническое средство для его диагностирования должно быть предварительно адаптировано к нему путем определения характерного для него уровня «нормы» или нуля.

8.Определено оптимальное место расположения датчика измерителя суммарного содержания, растворенных в единице объема трансформаторного масла газов. Разработана структурная схема ТСД МНЭА для измерения предложенных в работе ДП.

Разработанный метод диагностирования наиболее эффективно может быть использован для непрерывного рабочего «индикаторного» определения состояния МНЭА с изношенным ресурсом.