Авторы:Р.Г. ИЛЬДАРХАНОВ, А.Е. УСАЧЕВ
Казанский государственный энергетический университет
Источник:Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.

В работе описывается метод дистанционной диагностики состояния обмоток силовых трансформаторов, включенных на конце линий электропередач, с помощью спектрального анализа формы импульсов, отраженных от обмоток высшего напряжения вышеуказанных объектов исследования.

Для получения частотных характеристик построена компьютерная модель в среде Matlab, исследована зависимость выходного напряжения от частоты входного напряжения для модели исправного силового трансформатора, для модели трансформатора с дефектом обмотки высокого напряжения, а также для модели линии электропередач, приведены полученные характеристики, осуществлен их анализ. Показано наличие характерных амплитудно-частотных характеристик для модели силового трансформатора с дефектом в обмотке.

Силовой трансформатор (СТ) является одним из наиболее важных узлов электрической станции или подстанции (ПС). Для энергосистемы Российской Федерации характерно наличие значительного количества ПС, обслуживание и ремонт оборудования которых производит оперативно-выездная бригада предприятия электрических сетей. Особенно актуальным в связи с этим становится своевременное выявление развивающихся дефектов обмоток СТ, которое позволяет вывести СТ в ремонт прежде, чем случится авария, связанная с выходом его из строя.

К развивающимся дефектам относятся межвитковые короткие замыкания (МКЗ), деформация обмоток, ослабление их прессовки. Эти дефекты, как правило, являются следствием коротких замыканий на линиях электропередач (ЛЭП), питаемых от данного СТ или перегрузками СТ. МКЗ приводят к локальному нагреву обмоток и окружающего масла, что приводит к ускоренному старению изоляции. Деформация обмоток приводит к механическому повреждению изоляции, провоцирующему появление МКЗ и частичных разрядов. Ослабление прессовки обмоток приводит к усилению их вибрации, а значит к ускоренному износу как изоляции, так и элементов крепления.

На сегодняшний день методы дистанционной диагностики СТ развиты слабо. Применяемые методы диагностики силовых трансформаторов требуют работы непосредственно на исследуемом объекте, ввиду чего являются недостаточно оперативными, так как требуют выезда персонала на объект. Кроме того, ряд методов требует значительного времени для анализа (например, методы анализа проб трансформаторного масла) либо дорогостоящего оборудования (например, метод тепловизионного контроля). Также имеет место отсутствие достаточно универсальных методов диагностики.

Таким образом, на рынке диагностической аппаратуры представлено достаточно большое количество сегментов, число которых соответствует числу методов диагностики. Поэтому полный комплект диагностической аппаратуры обладает таким существенным недостатком, как высокая стоимость. Также недостатком следует считать то, что большое число разных по типу и принципу действия устройств диагностики представляет определенную трудность для эксплуатационного персонала.

При всем этом спрос на сегодняшний день определяется такими требованиями как: дешевизна, универсальность, точность, компактность диагностического устройства и простота его эксплуатации. Одним из методов, более полно отвечающих вышеуказанным требованиям, может служить метод частотных характеристик [1], основанный на частотных свойствах СТ. Трансформатор - реактивный элемент с индуктивным характером сопротивления, коэффициент передачи k(f) которого зависит от частоты, и эта зависимость, называемая амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) трансформатора, имеет сильно изрезанный вид (рис. 1).

Это значит, что СТ ведет себя аналогично фильтру, не пропускающему электромагнитные волны определенных частот, т.е. k(f0)>0. На этих частотах СТ будет иметь значения индуктивности и емкости, отличные от их значений на промышленной частоте. Как видно из приведенных экспериментальных данных, АЧХ трансформаторов различных мощностей коррелируют друг с другом. Кроме того, можно говорить о характерных АЧХ СТ при различных видах дефектов. Например, на рис. 2 виден выраженный «провал» АЧХ на частоте около 330 кГц при коротком замыкании (КЗ) 20% витков обмотки (в начале обмотки). Кроме того, в области частот до 650 кГц, за исключением вышеуказанного провала, АЧХ модели дефектного СТ имеет более «гладкий» вид, тогда как на более высоких частотах наблюдаются пилообразные скачки амплитуды выходного напряжения.

Методика исследования

Была построена модель в среде Matlab 7 (рис. 3), состоящая из пяти стандартных блоков, моделирующих трансформаторы 110/10 кВ мощностью 500 кВА каждый, соединенных последовательно. Далее на вход полученного таким образом трансформатора мощностью 2500 кВА подавался синусоидальный сигнал Uвх напряжением 100 В и частотой от 10 до 1000 кГц с шагом 10 кГц и с помощью модели осциллографа фиксировалось значение напряжения Uвых на зажимах обмотки низкого напряжения вышеуказанной модели СТ. По полученной таким образом таблице значений строилась характеристика в виде двумерного графика (рис. 1, 2). Затем выводы обмотки высокого напряжения блока СТ1 замыкались накоротко и по вышеуказанной методике получалась характеристика для обмотки с дефектом.

В качестве элементов построенной модели использованы стандартные блоки из пакета Matlab 7, такие как осциллограф - Scope (библиотека Simulink/Sinks), источник синусоидального напряжения - AC Voltage ource (библиотека SimPowerSystems/Electrical Sources), вольтметр - Voltage Measurement (библиотека SimPowerSystems/Measurements), заземление (нулевой потенциал) - Ground (библиотека SimPowerSystems/Elements), силовой трансформатор (с ненасыщающимся сердечником) - Linear Transformer (библиотека SimPowerSystems/Elements), последовательная RLC нагрузка - Series RLC Load (библиотека SimPowerSystems/Elements).

Применение последовательного соединения блоков СТ обусловлено необходимостью внесения дефекта в обмотку ВН исследуемой модели трансформатора, а именно КЗ части витков его обмотки. При этом следует учитывать отсутствие электромагнитной связи между отдельными блоками СТ. Соединение осциллографа с исследуемой схемой через блок вольтметра обусловлено тем, что блок Scope находится в библиотеке Simulink и не может быть напрямую соединен с блоками из библиотеки SimPowerSystems.

Метод частотных характеристик заключается в снятии АЧХ исправного СТ и сравнении ее с АЧХ СТ, находящегося в эксплуатации. При несовпадении АЧХ исследуемого СТ (дефектограммы) с АЧХ того же, заведомо исправного, СТ (нормограммой) делается вывод о наличии дефекта в данном СТ, а по виду АЧХ делается вывод о его характере. Недостатком этого метода также является необходимость выезда персонала на исследуемый объект.

Этот недостаток можно устранить, совместив локационный метод диагностики ЛЭП [5] с методом частотных характеристик. Для этого необходимо зондировать исследуемый СТ короткими прямоугольными импульсами. Зондирование следует проводить со стороны питающей ПС, то есть дистанционно. Получив отклик от обмотки СТ, необходимо провести спектральный анализ полученного отражения. Форма огибающей спектра полученного отражения с учетом заданного отклонения должна сходиться с формой кривой АЧХ исправного СТ, в противном случае делается вывод о появлении дефекта и проводится анализ спектра для выяснения характера нарушения.

Сама ЛЭП также обладает своей АЧХ (рис. 4), которая при ряде допущений остается неизменной, а значит не вносит вклад в изменение получаемой АЧХ трансформатора, хотя и вносит коррективы в форму огибающей спектра отраженного импульса. Значение вносимой погрешности на каждой частоте, в случае отсутствия повреждений в ЛЭП, остается постоянным для каждого очередного измерения. Поэтому для успешной диагностики необходимо, чтобы ЛЭП, через которую производится зондирование, была исправна. Следовательно, данный метод позволит диагностировать также и состояние самой ЛЭП.

Характеристика, приведенная на рис. 4, получена в среде Matlab 6.5 по вышеуказанной методике. Значение входного напряжения в данном случае составляет 50 В. В качестве модели длинной линии взят блок Distributed Parameters Line из библиотеки SimPowerSystems. Из АЧХ видно, что ЛЭП является многорезонансным колебательным контуром. Кроме того, на определенных частотах коэффициент передачи ЛЭП стремится к нулю, т.е. можно говорить о так называемых «окнах непрозрачности», т.е. о частотах, на которых электромагнитные волны передаются слабо или не передаются совсем. На этих частотах будет ожидаться «провал» огибающей спектра отраженного импульса

Выводы

1. Силовой трансформатор - основной элемент энергосистемы, поэтому необходимо совершенствование системы диагностики силовых трансформаторов.
2. Метод частотных характеристик является перспективным и недостаточно разработанным методом диагностики состояния обмоток силовых трансформаторов.
3. Предложен метод дистанционной диагностики состояния обмоток силовых трансформаторов, который основан на зондировании включенного на конце линии электропередач силового трансформатора короткими прямоугольными импульсами и анализе формы отраженных импульсов с определением наличия дефекта в исследуемом объекте.