АВТОРЕФЕРАТ К МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЕ

Манин Сергей Анатольевич

Факультет: Электротехнический

Специальность: Электрические сети и системы

Тема выпускной работы: Диагностика трансформаторов

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Руководитель: Рогозин Георгий Григорьевич

Материалы по теме выпускной работы: Биография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание

Введение.Актуальность темы

       Магнитная система силовых трансформаторов наряду с активными проводниковыми материалами и изоляцией обмоток следует отнести к важнейшим элементам конструкции. Ряд повреждений в элементах магнитной системы неизбежно приводит к отключению трансформатора и длительному ремонту в условиях специализированных предприятий.
       К числу характерных повреждений магнитной системы следует отнести местный пожар в стали с выгоранием части листов стали шихтованного магнитопровода, замыкание отдельных листов между собой, повреждение изоляции стяжных шпилек магнитопровода. Наличие дефектов изоляции (лакового покрытия) между листами или ухудшение её изолирующих свойств приводит в эксплуатации к снижению удельного сопротивления межлистовой изоляции пакетов магнитопровода и увеличению потерь холостого хода трансформатора.
        Между тем, контроль состояния межлистовой изоляции связан с проведением специальных испытаний [1], включающих выполнение следующих измерений на выемной части трансформатора:

определение потерь холостого хода при намотке контрольной обмотки, необходимой для создания уровня рабочей индукции в магнитопроводе трансформатора;
измерение потерь холостого хода при замыкании крайних листов магнитопровода по его наружной поверхности;
измерение напряжения между крайними листами и пакетами магнитопровода по его наружной и внутренней поверхностям;
измерение напряжений по пакетам (для обнаружения пакетов с закороченными листами);
измерение удельного сопротивления постоянному току для отдельных пакетов по методу амперметра и вольтметра.

Трудоёмкость и значительные затраты времени на проведение указанных испытаний указывают на наличие определённой проблемы, связанной не только с контролем работоспособности магнитной системы, но и предотвращением роста потерь энергии в этой системе в процессе эксплуатации трансформаторов. Следует отметить что большинство трансформаторов в энергосистемах Украины находится в эксплуатации десятки лет и очерёдность их замены должна обуславливаться, в частности, и требованием снижения потерь энергии на её преобразование.
Очевидно, что внедрение новой системы диагностирования должно обосновываться возможностью распознавания не только роста потерь холостого хода, но и установлением повреждённого элемента конструкции магнитной системы трансформатора (сталь шихтованного магнитопровода, стяжные шпильки, смещение обмоток в результате электродинамических воздействий при сквозных коротких замыканиях).

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка теоритических положений и исследование нового способа эксперементального определения электромагнитных параметров силовых трансформаторов, отличающегося повышенной точностью идентификации магнитной системы силового трансформатора и включающего в себя эксперементальную основу в виде переходных функций, отражающих результаты имитационного моделирования повреждений конструктивных элементов силового трансформатора и итоговую матрицу симптомов для диагностирования технического состояния последних.
Основные задачи работы:

разработка методики синтеза эквивалентной схемы замещения магнитопровода трансформатора по эксперементальным переходным функциям;
разработка методики эксперементального моделирования характерных повреждений элементов магнитной системы трансформатора;
определение эксперементальных переходных функций трансформатора при имитации поврежлений в магнитной системе;
определение показателей распознавания имитируемых образов магнитной системы во временной и частотной областях векторов состояний;
разработка матрици симптомов для диагностирования состояния элементов конструкции магнитной системы трансформатора;
исследование погрешностей разработанного метода.

Планируемый практический результат

Использование законченной работы осуществляется путём применения разработанного метода для контроля состояния магнитной системы силовых трансформаторов (при повышении температуры элементов конструкции, работе газовой защиты, ненормальном гудении, изменении тока намагничивания при холостом ходе, определенных результатах химического анализа растворенных газов в трансформаторном масле, возможном смещении обмоток при сквозных коротких замыканиях) и оценки изменения потерь холостого хода.
Результаты работы могут быть также использованы при дальнейшем развитии метода путём исследования влияния характерных повреждений магнитной системы трансформатора на изменение тока включения холостого хода в интервале времени, определяемом изменением (нарастанием) магнитного потока на линейном участке кривой намагничивания (см. рис.1).

Рисунок 1 - Изменение тока включения холостого хода трансформатора (0-1 - участок кривой тока, отражающий повреждения в магнитной системе;0-2 - ненасыщенный участок характеристики намагничивания трансформатора).

Обзор существующих методов и разработок

В настоящее время существует много разных методов диагностики и контроля технического состояния трансформаторов. Рассмотрим основные из них.
1. Измерение сопротивления изоляции (вид испытания: межремонтное):

измерение сопротивления основной изоляции обмоток. Измерение производится мегомметром на напряжение 2500 В. Измеренные значения сопротивлений должны быть не меньше пртведенных в таблице [6];
измерение сопротивления изоляции вторичных обмоток. Измерение производится мегомметром на напряжение 500-1000 В. Сопротивление изоляции вторичных обмоток не нермируется, но вместе с присоединенными к ним цепями должно бить не меньше 1 МОм.

       Таким же образом проверяется надежность заземления магнитопровода и корпуса.

       2. Измерение тока холостого хода трансформаторов (вид испытания: приемо-сдаточные испытания).
       Измерение выполняется на вторичнрй обмотке при номинальном напряжении. Значение тока холостого хода не нормируется.
       Большое значение потерь холостого хода указует на нарушение опрессовки листов магнитопровода.

       3. Измерение сопротивления обмоток постоянному току (вид испытания: приемо-сдаточные испытания).
       Отклонение значения измеренного сопротивления обмотки от указанного в паспорте или от значения сопротивления обмоток других фаз должно быть не больше ±2%.

       4. Испытание трансформаторного масла (вид испытания: приемо-сдаточные, межремонтные, испытания при капремонте).
       Показатели качества масла для трансформаторов:

наименьшее пробивное напряжение;
состав механических примесей;
кислотное число;
состав водорастворимых кислот;
температура воспламенения.

       Свежее сухое трансформаторное масло перед заливом его в трансформаторы должно быть испытанно по всем показателям.
       Регулярная проверка масла способствует снижению вероятности повреждения магнитопровода. Например, вода в масле приводит к коррозие сердечника трансформатора.

       5. TDM - система мониторинга технического состояния силовых трансформаторов
       Система TDM (Transformer Diagnostics Monitor) предназначена для непрерывного контроля и анализа технического состояния силовых высоковольтных трансформаторов. Применяется для регистрации и сбора информации в режиме непрерывного мониторинга и контроля. Позволяет анализировать параметры состояния основных подсистем трансформатора, формировать комплексное заключение о состоянии трансформатора.
       Для проведения оперативной оценки общего технического состояния трансформатора при помощи системы мониторинга марки TDM анализируется состояние следующих подсистем и элементов трансформатора:

Контроль технического состояния маслонаполненных вводов трансформатора. В процессе контроля за состоянием вводов ведется измерение токов проводимости, расчет тангенсов угла потерь, величины С1.
Контроль изменения геометрии обмоток трансформатора при помощи оперативного расчета параметра Zk после каждого аномального воздействия на обмотки трансформатора.
Контроль состояния РПН трансформатора по температуре бака, акустическим частичным разрядам, вибрации в процессе коммутации, мощности, потребляемой приводным электродвигателем РПН.
Контроль температурных режимов работы трансформатора и управление системой охлаждения трансформатора. Оценка технического состояния маслонасосов и вентиляторов системы охлаждения.
Регистрация перенапряжений и импульсных токовых воздействий на обмотки трансформатора, контроль работы защитных реле трансформатора.
Контроль параметров состояния трансформатора, определяемых другими диагностическими системами, например, влажность масла.

       На основании ряда частных диагнозов имеется возможность интегральной оценки состояния трансформаторов, прогнозирования развития состояния и дефектов. Важным преимуществом системы является возможность анализа трендов развития дефектов и определение остаточного ресурса[7].

       6. Тепловизионный контроль в диагностике силовых трансформаторов
       Для оценки состояния силовых трансформаторов (СТ) тепловизионный контроль не получил ещё широкого распространения из-за дороговизны оборудования и неотработанности технологии получения информационных и достоверных результатов. Однако по мере оснащения энергосистем современными тепловизорами проведение этого вида испытаний становится оправданным, поскольку не требует останова и отключения оборудования, является нетрудоёмким и помогает выявлять дефекты на ранних стадиях их развития.
       Следует отметить, что эффективность и информативность этого вида оценки состояния оборудования оказывается особенно высокой, если тепловизионный контроль включается в комплексный процесс диагностики СТ, проводимой на базе экспертной системы. В этом случае от совместного использования всей доступной на текущий момент информации проявляется, так называемый, синергетический эффект от её анализа, что и позволяет получить максимальный результат с точки зрения противоречивых критериев: достоверности и стоимости испытаний.
       Этапы технологии обследования. Основными этапами предлагаемой технологии являются:

полевые исследования;
передача полученной информации из тепловизора в персональный компьютер;
структурирование термограмм, организация их хранения в специализированных базах;
предварительная обработка результатов и их визуальный анализ;
математическая обработка и сопоставление результатов с учётом реальных физических процессов в трансформаторе, автоматизированное формирование рекомендаций;
комплексная обработка полученной информации, выдача рекомендаций на основе многоаспектного анализа[8].

       7.Диагностика силовых трансформаторов по результатам хромотографического анализа
       Хроматографический анализ растворенных в масле газов (ХАРГ) является сегодня одним из основных методов оценки состояния силовых трансформаторов. Известно, что ХАРГ должен давать ответ на три вопроса: 1. Имеется ли в данном оборудовании дефект? 2. Каков характер дефекта? 3. Что делать при наличии дефекта?
       К сожалению, вполне определенного ответа на первый вопрос ХАРГ дать не может, т.к. по превышению граничных концентраций газов можно судить лишь о возможном развитии дефекта. Определенная степень нечеткости ХАРГ имеет место и при ответах на два других вопроса. Это не говорит о неэффективности рассматриваемого вида испытаний, а еще раз свидетельствует о сложности процессов при оценке состояний трансформатора[9].

Результаты исследований

       Определение переходных функций производилось для трансформаторов ТМ-100/6 и ТМ-240/6 со стороны обмоток низшего напряжения 0,4 кВ при отключенной первичной обмотке. Опыты затухания постоянного тока осуществлялись при начальных значениях постоянного тока порядка 10 А.
       Регистрация процесса спадания свободного тока осуществлялась с использованием многоканального регистрирующего прибора типа «Рекон-08МС». Значения токов в фазных обмотках НН трансформатора выражалось в долях их начальных значений. Время наблюдения переходного процесса ограничивалось 6 сек. Частота опроса сигнала устанавливалась равной 10 кГц. При аппроксимации опытных кривых суммой экспоненциальных составляющих принималось равномерное разделение временных координат кривой тока в пределах отдельных интервалов, устанавливаемых по данным предварительных экспериментов. С указанной целью по данным разложений кривой тока на составляющие экспоненты устанавливалась равномерная шкала времени для десяти значений тока в каждом из следующих временных интервалов: 0 - Т1; Т2 – Т1; Т3 – Т2; Т4 – Т3. Значения постоянных времени (Т), а также других параметров отдельных экспоненциальных составляющих для трансформатора ТМ-100/6 для фазы А приведены в табл. 1.
       Таблица 1 - Разложение кривой затухания постоянного тока в фазе А трансформатора ТМ-100/6 на экспоненциальные составляющие

       Из анализа результатов разложения переходной функции в обмотке НН трансформатора ТМ-100/6 на составляющие экспоненты следует:

диапазон существенных изменений переходных функций, определяемый величиной наибольшей постоянной времени экспонентной составляющей, эквивалентирующей опытную кривую, находится в пределах 3 сек;
имеется существенное различие в параметрах экспоненциальных составляющих переходной функции фазной обмотки среднего стержня трёхстержневого магнитопровода трансформатора по сравнению с обмотками крайних стержней;
постоянные времени наибольшей из двух быстрозатухающих экспоненциальных составляющих тока находятся в пределах 0,05 и 0,2 сек.;
значение двух быстрозатухающих составляющих тока в начальный момент переходного процесса находится в пределах 0,8 д.е.

Выделение четырёх существенно отличающихся по значениям параметров экспоненциальных составляющих в переходной функции тока трансформатора указывает на наличие в переходных функциях информации, отражающей переходные процессы в отдельных элементах магнитной системы: стальных листах шихтованного магнитопровода; массивных элементах конструкции, в частности, в шпильках и других подобных элементах магнитопровода; элементах конструкции, создающих пути магнитных потоков рассеяния через бак трансформатора.
В целях совершенствования методики проведения эксперимента и более полного использования возможностей регистрирующего прибора целесообразно выполнять следующие рекомендации:

для стабилизации магнитного состояния магнитопровода трансформатора (при проведении эталонного и последующих периодических измерений переходных функций) перед проведением опыта следует осуществлять перевод одной из возможных кривых намагничивания трансформатора В(Н) на спадающий участок кривой предельного гистерезисного цикла путём осуществления 7-10-ти последовательных несимметричных циклов намагничивния-размагничивания (в процессе многократных повторений опытов затухания постоянного тока). Переход к устойчивому частному циклу, обеспечивающему адекватность результатов измерений при постоянной магнитной проницаемости стали магнитопровода, показан на рис. 2 а, б [4];
регистрацию переходных функций проводить при частоте опроса равной 20 кГц;
увеличить начальное значение входного сигнала регистрирующего прибора до 225 мВ (вместо 75 мВ в проведённых опытах), что позволит гарантировать минимальную среднеквадратическую погрешность измерений 0,8 % в диапазоне измерения переходной функции тока от 1,0 до 0,5 д.е.;
увеличить количество значений переходной функции тока в диапазонах, выделяемых по признаку изменения постоянных времени аппроксимирующих экспонент.

несимметричный частный циклл при многократном проведении опыта затухания постоянного тока

Рисунок 2 - Стабилизация магнитной проницаемости магнитопровода трансформатора: а - процесс многоразового намагничивания магнитопровода; б - переход от кривой начального намагничивания к несимметричному частному циклу при многократном проведении опыта затухания постоянного тока.

Вывод

Установлена принципиальная возможность разработки промышленной методики диагностирования элементов конструкции магнитной системы силовых трансформаторов в условиях их эксплуатации.Технико-экономическая эффективность работы определяется не только сокращением времени и затрат на проведение работ по контролю работоспособности магнитной системы трансформатора традиционными методами, но и предотвращением роста потерь в энергосистеме в процессе эксплуатации трансформаторов. Большинство трансформаторов Украины находится в эксплуатации десятки лет и очередность их замены должна обуславливаться, в частности, требованием учета текущего состояния их магнитных систем.

Перечень ссылок

Фарбан С.А., Бун А.Ю. Ремонт и модернизация трансформаторов. - М.-Л.: Энергия, 1970.-432 с.

Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1962. -624 с.

Рогозин Г.Г., Печуркин Ю.И. Применение импульсного метода для определения электромагнитных параметров массивных конструктивных элементов ротора турбогенератора. Электротехника. - 1992. №№ 6-7. - С. 16-21.

Поливанов К.М. Ферромагнетики. Основы теории технического применения. - М.-Л.: ГЭИ, 1957.-256 с.

Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. - М.: Мир, 1978. - 411 с.

Нормы испытания электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей. Главгосэнергонадзор - М.: Энергоиздат, 1982, 104с.

Статья на сайте компании "Вибро-центр" http://www.vibrocenter.ru/tdm.htm

Журавлев А.Н., Попов Г.В. Технология тепловизионного контроля в диагностике силовых трансформаторов // Вестник ИГЭУ. – 2001. – № 1. Статья найдена на сайте Тransform.ru

Попов Г.В. Об оценке состояния силовых трансформаторов по результатам хромотографического анализа. Статья размещена на сайте Тransform.ru

Магистерская работа находится на стадии разработки. Окончательные результаты можно будет получить 01.2007 у автора или руководителя.

ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ> Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание