Технология тепловизионного контроля в диагностике силовых трансформаторов Журавлев А.Н., Попов Г.В.

Рассмотрены вопросы оценки состояния маслонаполненного оборудования, среди которых в последнее время особый интерес вызывает тепловизионный контроль. Приведена методика использования тепловизоров при диагностике силовых трансформаторов с учетом основных факторов влияния окружающей среды. Даны рекомендации по использованию результатов тепловизионного контроля в комплексной диагностике маслонаполненного оборудования. 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 [4]. Ниже рассматривается подход к формированию технологии тепловизионного контроля СТ, проводимого на базе тепловизоров марки Thermovision 470 (AGEMA Infrared Systems AB). 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. Особенности силового трансформатора. Предлагаемая технология должна строиться с учётом особенностей трансформатора как объекта исследования. Существенным фактором, затрудняющим тепловизионный контроль СТ, является наличие навесного оборудования на баке, в первую очередь радиаторов, что существенно уменьшает площадь полезной поверхности, подвергаемой анализу. Кроме того, принудительная циркуляция масла размывает температурные градиенты, из-за чего затрудняется локализация дефекта. Смысл тепловизионного обследования СТ заключается в проецировании теплового дефекта в активной части на поверхность бака, не закрытую навесным оборудованием, и выявлении этого участка при анализе термограмм (рис. 1). Наряду с отмеченными выше конструктивными особенностями СТ, затрудняющими тепловизионное обследование, в этом объекте можно также выделить факторы, которые способствуют его использованию. Здесь, в первую очередь, имеется в виду условная симметричность СТ. Наличие трёх практически равнонагруженных фаз позволяет проводить сопоставление нагревов одновременно по трём образующим и каждое существенное отклонение подвергать дополнительному анализу. В тех же целях целесообразно использовать и симметричность СТ относительно осевых линий. Рис. 1. Тепловое проецирование дефекта в активной части трансформатора на поверхность бака трансформатора: 1 – бак; 2 – обмотка; 3 – магнитопровод; 4 – дефект; 5 – тепловая проекция на поверхность бака Полевые исследования. На этапе полевых исследований оператор проводит съёмку поверхности бака трансформатора с помощью тепловизионной аппаратуры. При проведении работ может создавать помехи навесная система охлаждения. Воздух, нагнетаемый вентиляторами, проходит сквозь радиаторы, нагревается и далее ударяется о поверхность бака. В результате чего на его поверхности образуется зона повышенного нагрева, которая не является следствием дефектов в активной части трансформатора. Поэтому, целесообразно на некоторое время отключить систему, а, в ряде случаев, и систему принудительной циркуляции масла. Как правило, около трансформатора бывает недостаточно свободного места для того, чтобы снять его целиком на одном снимке, либо необходимо произвести съёмку более детально. В этих случаях поверхность бака разбивается на некоторое количество квадратов, каждый из которых представляет собой отдельные тепловизионные фотографии Число квадратов практически неограниченно и определяется лишь возможностями программного обеспечения, которое будет впоследствии производить сборку целостной тепловой картины трансформатора. На этапе полевых исследований оператор имеет возможность сразу оценить эффективность функционирование охлаждающих устройств, состояние маслонаполненных и фарфоровых вводов, контактных соединений токоведущих частей, контактов переключателей напряжения и др. Обнаружив неисправности в этих узлах, оператор может сформировать протокол, пользуясь программным обеспечением комплекса Thermovision 470 (AGEMA Infrared Systems AB), в котором указывается возможная причина повышенного нагрева и предварительный перечень мероприятий по её устранению. Наличие дефектов в активной части трансформатора, как правило, требует более точной диагностики. Для этого оператор фиксирует отдельные области крупным планом для их дальнейшего встраивания в общую тепловую картину поверхности бака трансформатора. Результаты обследования сохраняются на гибком магнитном диске с указанием места и времени съёмок, а также наименования подстанции и обследуемого трансформатора. Кроме того, оператор указывает погодные условия в момент съёмки, текущие условия работы трансформатора, примерное расстояние до объекта. Разработана специальная система идентификации фиксируемых планов (вид спереди, сзади, слева, справа), которые указываются в этикетке каждой термограммы. Указанная информация заносится в тепловизор либо в журнал обследований непосредственно перед снятием термограмм и является необходимым элементом для дальнейшего анализа полученных изображений. Передача информации в ПК. Оценка состояния СТ на основе тепловизионного анализа достаточно оправданна, однако, как отмечалось выше, желательнее её проводить в сочетании с другими методами диагностики трансформаторов. Поэтому все последующие этапы предлагаемой технологии рассматриваются в рамках разработанной в ИГЭУ системы оценки состояния силовых трансформаторов ДИАГНОСТИКА+ [3]. Полученные на предыдущем этапе термограммы с помощью встроенного в тепловизор дисковода записываются на гибкий магнитный диск. Анализ данной информации, а также детальное изучение технической документации фирм AGEMA не дали возможности стандартными средствами передавать результаты тепловизионного контроля в персональный компьютер для обработки их системой ДИАГНОСТИКА+. Поэтому была разработана специальная программа сбережения, обеспечивающая чтение данных из внутреннего формата тепловизора, преобразование и сохранение их в среде Windows, что представило простой и удобный доступ к информации, полученный на этапе полевых исследований. Структурирование термограмм. Если конкретный трансформатор, содержащийся в базе ДИАГНОСТИКИ+, впервые подвергается тепловизионному обследованию, то для него вначале заполняется форма "ТИПОРАЗМЕРЫ" (рис. 2), в которую администратор системы должен занести его геометрические размеры. Рис. 2. Форма для ввода размеров трансформатора Как правило, для СТ одного конструктивного типа эта информация является одинаковой. Поэтому в экспертной системе предусмотрено предварительное занесение главных размеров для всех типов трансформаторов и автоматическое заполнение подобных форм для конкретных трансформаторов. Администратор должен лишь визуально контролировать их содержание. Введённая информация используется для проецирования активной части СТ на каждую поверхность (переднюю, заднюю, левую, правую) бака. На полученную проекцию далее автоматически накладывается равномерная сетка (рис. 3), которая требуется для последующего формирования единого тепловизионного изображения из нескольких термограмм. Последняя операция обусловлена, как отмечалось выше, невозможностью в большинстве случаев получения одной термограммы для каждого вида из-за недостатка места вблизи трансформатора. Кроме того, подобное единое изображение оказывается и менее точным. Рис. 3. Вписывание активной части трансформатора в контур бака: а) вид спереди; б) вид сбоку; 1 – бак; 2 – магнитопровод; 3 – обмотки активной части Из полученного набора термограмм, представляющих фрагменты изображений, с помощью специальных команд экспертной системы формируются температурные картины всех сторон трансформатора, которые являются основой для дальнейшего анализа состояния СТ. Для их хранения создан специальный архив инфракрасных изображений (АИИ) (рис. 4), занимающий центральное место в подсистеме тепловизионной диагностики. Основное меню АИИ, включающее команды ФОТО, ВИД, НАСТРОЙКИ, СЕРВИС и соответствующие подкоманды, позволяет эффективно проводить предварительный анализ полученной информации. Рис. 4. Главный экран архива инфракрасных изображений Предварительная обработка результатов. На этом этапе имеется возможность визуального анализа термограмм каждого вида. При этом цветовая палитра автоматически обрабатывается с выводом на экран компьютера максимальной и минимальной температур для всего изображения или отдельного его фрагмента в режиме увеличения (рис. 5). Для любой, выбранной оператором с помощью курсора, точки выдаётся значение температуры (бегунок градусника на слайде). Можно получить также изоповерхности, т.е. участки изображения с конкретной температурой. Для этого мышью делается щелчок на индикаторной температурной полоске, после чего на градуснике появляется значение температуры, а соответствующие участки термограммы закрашиваются в зелёный цвет. Рис. 5. Визуальный анализ полученных термограмм Результатом данного этапа является автоматическое нахождение для каждого выделенного оператором элемента активной части СТ наиболее нагретой точки. Обычно в качестве элементов выделяют: верхнее ярмо, нижнее ярмо, обмотки фаз А, В и С. Более удобной для предварительного анализа является формируемая таблица, содержащая диспетчерский номер трансформатора, его тип, дату обследования, названия элементов и их максимальные температуры на каждом виде. Понятно, что анализу не подлежат все участки активной части, закрываемые навесным оборудованием. На термограммах эти области автоматически зачерняются. Основной принцип диагностики данного этапа – сравнительный анализ аномально нагретой области с аналогичной поверхностью, имеющей нормальный нагрев. Поэтому оператору создаются условия для сопоставления: идентичных участков разных фаз конкретного трансформатора; одних и тех же изображений СТ в разные моменты его жизненного цикла; аналогичных поверхностей однотипных трансформаторов. При проведении анализа считается, что влияние окружающей среды равнозначно по всей площади поверхности бака, влияние сторонних источников света и тепла отсутствует, а трансформатор работает в установившемся режиме. Кроме того, для облегчения анализа считается, что трансформатор – это условно симметричный объект, и все его фазы нагружены приблизительно одинаково. Учёт реальных физических процессов в трансформаторе предполагает также принятие во внимание реального распределения температур масла и бака по высоте (рис. 6) [1]. Рис. 6. Зависимость изменения превышения температуры стенки бака по высоте трансформатора от типа охлаждающей системы: 1 – естественное; 2 – охлаждение дутьем; 3 – охлаждение дутьем с принудительной циркуляцией масла; 4 – температурный всплеск – проекция дефекта активной части трансформатора на поверхность бака Математический анализ термограмм. Автоматизированный поиск возможных дефектов в активной части предполагает использование методов математической статистики для корректного выявления аномальных температурных областей. Для сравнения соответствующих друг другу изображений проекций активной части различных трансформаторов можно использовать критерий Колмогорова-Смирнова, который предназначен для одновременной оценки значимости и величины расхождения различных распределений. Для иллюстрации работы данного метода приведем конкретный пример. Рассмотрим два замера температурного поля ( А1 и А2 ) в зоне проекции верхней части обмотки фазы А на поверхности бака трансформатора. Исследуемая область занимает площадь 5428 (92x59) температурных точек. Разбив их на несколько диапазонов шириной 5 °С получим некоторое распределение, которое приведено в табл. 1. Таблица 1 Диапазоны Частоты (число точек) N( Xi ) Накопленные частоты å N(Xi )   Накопленные частости Разность накопленных частостей DF(Xi)= =F(A1)-F(A2) номер диапазоны температур, °С А1 А2 А1 А2 A1 A2 1 10 - 15 113 87 113 87 2,08 1,6 0,48 2 15 - 20 672 336 785 423 14,46 7,79 6,67 3 20 - 25 1236 663  2021 1086 37,23 20,01 17,22 4 25 - 30 2074 1224 4095 2310 75,44 42,56 32,88 5 30 - 35 932 1891 5027 4201 92,61 77,39 15,22 6 35 - 40 320 919 5347 5120 98,51 94,33 4,18 7 40 - 45 81 262 5428 5382 100 99,15 0,85 8 45 - 50 0 46 5428 5428 100 100 0 Задача состоит в вычислении разностей накопленных частостей и нахождении максимального модуля (абсолютного значения) разности: . Очевидно, чем больше максимальная разность, тем сильнее различаются распределения. Если при этом учесть число наблюдений, от которого, естественно, также зависит статистическая значимость различий распределений, получим величину критерия Колмогорова – Смирнова: где N1, N2 – численности наблюдений в диапазонах; n1, n2 – численность наблюдений по всей выборке; В рассмотренном примере λ равна 17,19. По [2] определяем, что при величине λ = 17,19 различия не являются статистически значимыми, если считать отличия двухсторонними. Однако минимальная разность накопленных частостей равна нулю, что позволяет считать отличия односторонними и пользоваться односторонним критерием, равным 0,5 от двухстороннего. Согласно [4], можно считать различия статистически значимыми – температуры сравниваемых областей действительно отличаются, т.е. имеет место область повышенного нагрева. Особым преимуществом критерия Колмогорова-Смирнова является то, что этот критерий с большой вероятностью позволяет обнаружить любое отклонение между функциями распределений A1 и A2 при условии, что n достаточно велико. В системе ДИАГНОСТИКА+ результаты тепловизионного обследования трансформатора анализируются в сочетании с другими методами оценки состояния СТ. Это позволяет говорить о комплексном подходе к диагностике этих объектов. Подробнее с системой ДИАГНОСТИКА+ можно познакомиться на сайте http://www.transform.ru/ ВЫВОДЫ Предложена технология оценки состояния силовых трансформаторов на основе тепловизионного контроля с помощью современных средств тепловизионной техники. Наибольшую ценность предлагаемый подход может дать в сочетании с традиционными видами оценки состояния силовых трансформаторов. Эффективная интеграция получаемой информации целесообразна в рамках экспертной системы, как правило, продукционного типа. Библиографический список Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. – М.-Л.: ГЭИ, 1961. – 480 с. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. – М.: Статистика, 1980. – 264 с. К вопросу продления ресурса силовых трансформаторов электрических станций на примере КГРЭС / Л.В. Виноградова, Е.Б. Игнатьев, Г.В. Попов и др. // В кн. Повышение эффективности работы ТЭС: Труды ИГЭУ/ ИГЭУ. – Иваново, 1999. – С. 147-157. Малов А.В., Снетков А.Ю. Тепловизионное обследование силовых трансформаторов // Энергетик. – 2000. – № 2. – С. 34-35.

Источник:  ©  ИГЭУ. Материал размещен на http://www.transform.ru/index.html: 21.02.2005 г.

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2006