Комплексное диагностическое моделирование параметров технического состояния силового трансформаторно-реакторного электрооборудования (27.10.2009)

Автор: Хренников Александр Юрьевич

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, общим объемом 428 стр.

Основное содержание работы

Во введении даны определения актуальности и цели настоящей работы. На этой основе сформулированы задачи исследования и даны сведения о ее научной новизне и практической значимости. Кроме того, приводятся аргументы, подтверждающие достоверность результатов выполненных исследований, краткая информация об объектах исследования, использованных для этого методах и организациях, в которых происходило внедрение результатов исследований. Также приведены сведения об апробации работы на международных и всероссийских конференциях и семинарах, публикациях, в которых освещено содержание работы по существу и структуре диссертации.

В настоящее время в электроэнергетике и электротехнике большое внимание уделяется согласованию условий нормальной безаварийной и эффективной работы электроустановок, производящих, передающих, преобразующих и потребляющих электроэнергию при её надлежащем качестве. В процессе работы ЭУ подвергаются многочисленным внешним и внутренним электромагнитным и другим эксплуатационным физическим воздействиям (ЭФВ), а также сами непосредственным образом воздействуют на окружающие объекты и среду. Такими ЭУ и являются силовые и измерительные трансформаторы и реакторы, которые часто объединяют общим названием трансформаторно-реакторное электрооборудование.

В процессе эксплуатации названные ЭФВ проявляются в виде электромагнитных, механических, тепловых и других стационарных и ударных нагрузок, которые постоянно ухудшают эксплуатационные свойства ТРЭО и снижают его стойкость к ним, а также электрические, механические, термические характеристики и других технико – экономические показатели.

Вопросы эксплуатации, ресурсов, возникновения дефектов и повреждений ТРЭО рассматриваются на основе концепции диагностического моделирования. Диагностическая модель для электроустановки ТРЭО строится в виде системы характеристик и параметров, обеспечивающих с необходимой полнотой информацию о техническом состоянии конкретной электроустановки, и которые получили название диагностических признаков. Это - кибернетическая информационная модель, реализованная по принципу «черного ящика», с объектом, например с трансформатором, имеется только информационная связь, отсутствует непосредственная связь с физическими процессами, происходящими в ЭУ.

Вследствие растущей суммарной мощности одним из перспективных направлений снижения затрат от недоотпуска электроэнергии потребителям и повышения эффективности работы электросетевых предприятий является создание условий для безотказного функционирования силовых и измерительных трансформаторов (СТ и ИТ) и реакторов (РР). Для этого необходимо обеспечение их электромагнитной совместимости (ЭМС) с интенсивными внешними и внутренними электромагнитными воздействиями. Прежде всего, это относится к грозовым и коммутационным перенапряжениям, как наиболее существенным электромагнитным воздействиям, требующим наиболее пристального внимания.

Первая глава диссертации посвящена характеристике причин и видов повреждений ТРЭО в сетях различных классов напряжения и математическому моделированию дефектов и повреждений при различных физических воздействиях, характерных для процессов эксплуатации трансформаторов и реакторов, построению диагностических моделей для ОТС ТРЭО.

В области теории и практики общих вопросов технического обследования, контроля, диагностики и испытаний на надежность электрооборудования электрических сетей, станций и подстанций автор опирался на работы Б.А. Алексеева, М.Е. Алпатова, А.В. Анцинова, В.Г. Аракеляна, В.В. Болотина, В.В. Бузаева, В.П. Васина, В.Г. Гольдштейна, В.Ю. Горшунова, А.П. Долина, А.А. Дробышевского, Б.В. Ефимова, Р.Г. Идиатуллина, Ю.С. Конова, В.В. Короленко, М.В. Костенко, Е.И. Левицкой, А.И. Лурье, М.Ю. Львова, Ю.Н. Львова, В.Ф. Могузова, А.Н. Назарычева, А.Г. Овсянникова, Ю.С. Пинталя, Е.А. Попова, В.А. Савельева, В.М. Салтыкова, В.В. Смекалова, В.В. Соколова, В.П. Степанова, Л.М. Сулеймановой, А.И. Таджибаева, Ф.Х. Халилова, Н.Н. Хубларова, О.А. Шлегеля, Л.М. Шницера и др.

Отказы в работе электроустановок ТРЭО определяются двумя главными обстоятельствами. Прежде всего, здесь следует назвать поток разнообразных эксплуатационных физических воздействий, как внутренних, происхождение которых определяется энергией, накопленной внутри названных электроустановок, так и внешних – от окружающей среды, в том числе и соседних электроэнергетических объектов. Здесь, прежде всего, надо выделить грозовые явления и температурные воздействия.

Классификация нарушений ЭМС по последствиям введена в новое поколение отечественных стандартов по ЭМС (ГОСТ 13109-97). Основные причины повреждений и отказов ТРЭО:

1. Конструктивные ошибки при изготовлении электроустановок ТРЭО на заводах-изготовителях.

2. Дефекты в конкретных узлах ТРЭО.

3. Попадание посторонних частиц внутрь трансформаторов и реакторов (влаги, металлической стружки от маслонасосов и т.д.).

4. Старение изоляции из-за длительной эксплуатации.

5. Воздействие токов КЗ на обмотки трансформатора или реактора.

6. Воздействие человеческого фактора, ошибки персонала.

7. Неправильная эксплуатация трансформаторов и реакторов, не в соответствии с нормативными документами.

Для исключения появления дефектов и возникновения повреждений в высоковольтном маслонаполненном ТРЭО необходимо неукоснительное выполнение следующих мероприятий:

1. Своевременная и правильная диагностика оборудования в соответствии с РД 34.45-51.300-97.

2. Специальная диагностика трансформаторов и реакторов, эксплуатируемых длительно, сверх нормативного срока эксплуатации 25 лет или работающих в «зоне риска» по параметрам, приведенным в ОНИЭ (РД 34.45-51.300-97).

3. Правильная эксплуатация ТРЭО в соответствии с НТД.

4. Замена устаревших, выработавших свой ресурс элементов ТРЭО (переключатели РПН, замена вводов, маслонасосов, вентиляторов системы охлаждения, подпрессовка обмоток, замена масла в ЭУ ЭКС).

Далее в первой главе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с происхождением, физическими процессами и последствиями повреждений активной части силовых трансформаторов и реакторов как наиболее часто повреждаемого и ответственного элемента электрической сети.

На основе проведенного анализа можно произвести классификацию повреждений активной части трансформаторов и реакторов по их происхождению. Ниже приводятся следующие основные виды повреждений и дефектов: развивающиеся повреждения - нагрев токоведущих соединений отводов, частичные разряды, нагрев элементов конструкции активной части, остаточные деформации обмоток; дефекты, являющиеся результатом износа - увлажнение, загрязнение твёрдыми примесями, газовые включения, старение; внезапные повреждения обмотки и изоляции, обусловленные скрытыми дефектами.

Данная классификация позволяет определить основные причины повреждений и дефектов для обмоток силовых трансформаторов и реакторов: повреждение высоковольтных вводов, коммутационные, грозовые и иные воздействия повышенных напряжений на изоляцию, внутренние замыкания обмоток вследствие недостаточной электродинамической стойкости обмоток при КЗ.

Классификация отказов по последствиям вследствие дефектов и повреждений приведена на рис.1 (по данными Л.М. Сулеймановой).

Математические модели процессов, определяющих износ и старение и, прежде всего, развития и накопления дефектов и повреждений, рассмотрены в данной главе. Так для ТРЭО по своему происхождению они в большом числе случаев имеют электромагнитную, электродинамическую и тепловую природу. Причины их возникновения – кратковременные или продолжительные воздействия динамических и стационарных перенапряжений, аномально больших токов в режимах перегрузок и коротких замыканий.

Модели накопления повреждений и износа электрооборудования, а также другие задачи определения ресурсов рассматриваются в данной работе. Значительный вклад в разработку этой проблемы сделан В.В. Болотиным для механических систем, подходы и методология которых могут быть использованы для решения названных выше задач применительно к ТРЭО.

Повреждения, накопленные в элементах электроустановок ТРЭО в процессе эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ), опишем с помощью скалярной функции времени D(t). Ограничим область определения функции D(t) на отрезке времени [0, 1]. При непрерывном времени для меры повреждений имеем дифференциальное уравнение

в правой части которого стоит функция f(D,e) меры повреждений D и вектора ЭФВ e (effect-воздействие).

Процесс e(t) включает электрические, электродинамические (деформационные), температурные, химические и другие воздействия, влияющие на выработку

Рис.1. Структурная схема видов повреждений электроустановок ТРЭО

ресурса. В простейшем случае это скалярный процесс e(t) изменения параметра, с точностью до которого заданы все внешние ЭФВ, действующие квазистатически.

В начальный момент t=0 мера повреждений имела значение D = 0. Время Т до исчерпания ресурса определим, решив обратную краевую задачу с граничными условиями

D (0)=0; D (T)=1. (2)

В случае, когда в качестве аргумента целесообразно использовать дискретное время, например, для циклических ЭФВ, например, при повторно кратковременных нагрузках СТ в системах электроснабжения циклических технологических процессов. За цикл примем отрезок времени, заключенный между двумя последовательными положительными пересечениями параметром ЭФВ некоторого среднего (в общем случае тоже переменного) уровня.

Каждый цикл охарактеризуем значениями следующих один за другим максимумов и минимумов параметра ЭФВ. Особую остроту эти режимы приобретают в случаях, связанных с аварийными отключениями одного СТ в двухтрансформаторной схеме. Образуем из совокупности этих значений вектор en.. К составляющим вектора en при необходимости добавим временные характеристики, например продолжительность цикла и параметры его спектрального состава.

при самых разнообразных особенностях, свойствах и характеристиках его правой части и самого процесса ЭФВ e(t). В частности, в математическом представлении процесс e(t) может содержать особенности типа периодических, повторно-кратковременных блоков, а также разрывных описаний типа дельта-функции.

Ресурс T, определяемый из условия D (Т) = 1, существенно зависит от начального значения D 0. Это типично для случаев, когда выработка ресурса связана с ростом газовых включений в твердой изоляции или образованием и развитием частичных разрядов в ТРЭО. Роль D0 играет начальный размер газового включения или начального значения интенсивности ЧР, отнесенных к их предельным значениям. Правило линейного суммирования здесь непригодно.


загрузка...