Зубков Антон Геннадиевич
Факультет: Электротехнический
Кафедра: Электрических систем
Специальность: Электрические системы и сети
Тема выпускной работы: Анализ диагностических критериев повреждений элементов конструкции магнитопровода трансформатора
Научный руководитель: Рогозин Георгий Григорьевич
_______________________________________________
Анализ диагностических критериев повреждений элементов конструкции магнитопровода трансформатора
Введение
На данном этапе развития энергетики к силовым трансформаторам предъявляют высокие требования к надежности и экономичности данного оборудования. В связи с этим необходимы новые способы оценки состояния, при этом выдвигается требование существенного снижения времени проведения контроля при достаточно высокой чувствительности к наиболее вероятным видам повреждений, связанных с возникновением короткозамкнутых контуров в конструктивных элементах магнитопровода.
Актуальность темы
На практике существуют методы диагностирования магнитных систем силовых трансформаторов, однако они трудоемки и обладают низкой точностью. Признаком повреждения магнитной системы является повышение тока и потерь холостого хода. Характер повреждения связан, как правило, с местным пожаром в стали, повреждением изоляции между листами стали магнитопровода и повреждении изоляции стяжных болтов. В связи с дальнейшим усовершенствованием производственных процессов, сложности и высокой стоимости работ по изготовлению и ремонту трансформаторов, вопрос создания новых форм системы контроля приобретает особо важное значение.
Цель и задачи исследования
Целью работы является разработка теоретических положений и исследование нового способа экспериментального определения электромагнитных параметров силовых трансформаторов, отличающегося повышенной точностью идентификации магнитной системы силового трансформатора и включающего в себя экспериментальную основу в виде переходных функций, отражающих результаты имитационного моделирования повреждений конструктивных элементов силового трансформатора и итоговую матрицу симптомов для диагностирования технического состояния последних.
Цель работы
Анализ существующих методов диагностики и контроля состояния магнитных систем силовых трансформаторов, в частности, методики определения электромагнитных параметров силовых трансформаторов, который характеризуется повышенной точностью идентификации магнитной системы трансформатора и предложения по усовершенствованию рассмотренных методов.
Основные задачи работы:
— разработка методики синтеза эквивалентной схемы замещения магнитопровода трансформатора по экспериментальным переходным функциям;
— разработка методики экспериментального моделирования характерных повреждений элементов магнитной системы трансформатора;
— определение экспериментальных переходных функций трансформатора при имитации повреждений в магнитной системе;
— определение показателей распознавания имитируемых образов магнитной системы во временной и частотной областях векторов состояний;
— разработка матрицы 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.
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:
• измерение сопротивления основной изоляции обмоток. Измерение производится мегомметром на напряжение 2500 В. Измеренные значения сопротивлений должны быть не меньше приведенных в таблице [6];
• измерение сопротивления изоляции вторичных обмоток. Измерение производится мегомметром на напряжение 500-1000 В. Сопротивление изоляции вторичных обмоток не нормируется, 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 :
Измерение выполняется на вторичной обмотке при номинальном напряжении. Значение тока холостого хода не нормируется.
Большое значение потерь холостого хода указывает на нарушение прессовки листов магнитопровода.
3. Измерение сопротивления обмоток постоянному току:
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 :
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 коррозии сердечника трансформатора.
Наличие влаги в изоляции так же представляет серьезную проблему для эксплуатации. При увлажнении выше 1,5% снижается электрическая прочность, ускоряются процессы старения бумажной изоляции, и растет скорость окисления масла. При влагосодержании выше 3,3% от бумаги начинают отделяться волокна, которые попадают в масло. При увлажнении существует опасность выделения влаги в масло с образованием пузырьков при переходных тепловых процессах. Это может стать причиной снижения электрической прочности изоляции.
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[9].
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[10].
Основное содержание работы
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).
Результаты исследований
Проведены опыты фиксации кривых затухания постоянного тока в обмотке 0,4 кВ трансформатора ТМ-400 6/0,4 кв . 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.
Проанализирована методика проведения диагностических экспериментов при включении ненагруженного трансформатора на рабочее напряжение, основные положения которой приведены ниже.
• Повреждения магнитной системы трансформатора влияют на изменение тока включения холостого хода в интервале времени, обусловленном нарастанием магнитного потока на линейном участке кривой намагничивания.
• При физическом моделировании повреждений магнитопровода появляются замкнутые контуры, в результате реактивное сопротивление уменьшается при неизменном активном. Это приводит к увеличению коэффициента затухания апериодической составляющей потока, а также пропорционально ему индукции магнитного поля[1].
• Для определения апериодической составляющей в момент включения трансформатора, гармонических составляющих тока в установившемся режиме холостого хода использованы данные, полученные из опыта, проведенного согласно схемы рис.1.
Дальнейшая обработка тока ф. А состоит в аппроксимации кривых, которые огибают ток по минимумам и максимумам [3], или в получении аналитических выражений для изменения тока во времени, которые дают наименьшее отклонение значений указанных токов от их опытных значений для соответствующих моментов времени. Аппроксимация выполняется с использованием стандартной программы CurveExpert 1.34.
Наличие аналитических выражений для кривых, огибающих ток фазы А по минимумам и максимумам (без учета тока установившегося режима) позволит рассчитать апериодическую составляющую фазы А по известной формуле:
Аналитическое выражение, которое аппроксимирует рассчитанную зависимость iA(t) представляет собой сумму трех затухающих экспонент [4]:
Параметры отдельных составляющих (их количество, начальные значения и коэффициенты затухания) могут быть использованы для оценки изменения состояния магнитопровода трансформатора.
На рисунке 2 приведен спектрального анализа тока в ф.А силового трансформатора ТМ-400 6/0,4 кВ в установившемся режиме холостого хода.
Вывод
Установлены диагностические подходы к анализу повреждений элементов конструкции магнитопровода трансформатора по данным включения ненагруженного трансформатора на рабочее напряжение.
Установлены основные положения методики диагностирования магнитных систем трансформаторов распределительных электрических сетей в условиях капитального ремонта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фарабан С.А. Бун А.Ю. Ремонт и модернизация трансформаторов. – М.-Л.: Энергия, 1970. - 447с.
2. Поливанов К.М. Ферромагнетики. Основы теории технического применения. – М.-Л.:ГЭИ, 1957. 248с.
3. Казовский Е.Я. Перходные процессы в машинах переменного тока. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1962. – 548 с.
4. Рогозин Г.Г., Печуркин Ю.И. Применение импульсного метода для определения электромагнитных параметров массивных конструкций элементов ротора турбогенератора // Электротехника. – 1992, № 6-7. – С.16-21.
5. ANSYS, Electromagnetic Field Analysis Guide, Release 5.5, September 1998.
6. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. - М.: Мир, 1978. - 411 с.
7. Нормы испытания электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей. Главгосэнергонадзор - М.: Энергоиздат, 1982, 104с.
8. Статья на сайте компании "Вибро-центр" http://www.vibrocenter.ru/tdm.htm
9. Журавлев А.Н., Попов Г.В. Технология тепловизионного контроля в диагностике силовых трансформаторов // Вестник ИГЭУ. – 2001. – № 1. Статья найдена на сайте Тransform.ru
10. Попов Г.В. Об оценке состояния силовых трансформаторов по результатам хромотографического анализа. Статья размещена на сайте Тransform.ru
При написании данного автореферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2010 года.