Зенова, Елена Валентиновна. Разработка и исследование методов диагностики изоляционной системы маслонаполненных трансформаторов на основе изучения спектров токов поляризации

Краткое описание

Зенова, Елена Валентиновна. Разработка и исследование методов диагностики изоляционной системы маслонаполненных трансформаторов на основе изучения спектров токов поляризации : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.02 / Зенова Елена Валентиновна; [Место защиты: ОАО "Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности"].- Москва, 2013.- 388 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность проблемы.Изоляционная система современного маслонаполненного оборудования, в том числе и высоковольтных трансформаторов, лежит в основе организации надежного бесперебойного энергоснабжения и является ключевым элементом, гарантирующим безаварийную эксплуатацию подобного рода оборудования.
В настоящее время организация надежного энергообеспечения как у нас в стране, так и за ее пределами требует учета ряда устойчивых тенденций, наиболее важными из которых являются:
заметный рост электропотребления и связанное с ним увеличение парка эксплуатируемого оборудования при постоянном повышении требований к надежности, долговечности, экологичности эксплуатируемых устройств;
«старение» парка обслуживаемого оборудования, и в первую очередь, наиболее ответственного и дорогостоящего трансформаторного оборудования;
- переход от планово-предупредительного ремонта оборудования к системе технического обслуживания на основе оценки его фактического состояния, позволивший сделать проводимый ремонт более целесообразным и технически обоснованным.
Определение фактического состояния оборудования в данном случае основано на измерении значений контролируемых параметров, для которых определяются тревожные и аварийные уровни сигналов. Сравнение действительных значений с установленными уровнями тревоги и предыдущими замерами дает оценку изменения состояния контролируемого оборудования. Организованный, таким образом, диагностический контроль имеет своей целью предотвращение аварийного отказа оборудования, определение его состояния и прогнозирование остаточного ресурса как одного из главных показателей надежности.
Однако, неопределенности, возникающие при определении уровней тревожных и аварийных сигналов, а также при выборе вида и метода измерения значений контролируемых параметров, не позволяют до конца решить поставленные задачи. Поэтому сегодня говорят о новых подходах, формирующих принципиально новую парадигму диагностики состояния эксплуатируемого оборудования, качественно изменяющих требования к нему. Главной задачей становится управление жизнью эксплуатируемого оборудования и прогнозирование его состояния на относительно длительный период. Такие подходы не являются тривиальными и требуют разработки принципиально новых методов планирования контроля, формирования эффективного параметра контроля и обеспечения толерантности получаемых результатов (идеология обеспечения качества G.Taguchi).
Основные мировые тенденции, перечисленные выше, определяют актуальность решения проблемы создания диагностической системы, непосредственно интегрированной в технологический процесс обслуживания дорогостоящего маслонаполненного оборудования, функционирующего в распределительных сетях электрообеспечения. Поэтому она должна обладать высокой эффективностью, производительностью, отличаться доступностью методов контроля и применяющихся при этом материалов. Располагать физически обоснованными математическими моделями, позволяющими формализовать наши представления о состоянии контролируемого объекта и допускающими формирование итогового заключения. Корректирующие мероприятия, сформулированные в итоговом заключении, должны
предусматривать процедуры, исключающие отказ эксплуатируемого оборудования в пределах конкретно заданного периода времени.
Высоковольтный трансформатор, как и любое маслонаполненное оборудование, представляет собой многокомпонентную систему узлов и элементов. Отказ любого из них приводит к отказу всего трансформатора. Анализ причин отказа работающих трансформаторов за период 1997 -^ 2003 годов по даннымIMIA — WGP(33/03)(международной ассоциации страхования инженерной продукции) показал, что основной причиной материальных потерь является отказ изоляционной системы (в стоимостном выражении это составляет более 52%). На втором месте (более 22%) оказались причины связанные с конструкцией трансформатора, используемыми материалами и качеством их изготовления. Тем не менее, в настоящее время отсутствует эффективная система контроля состояния изоляционной системы трансформаторов и оценки ее качества.
Нормативные документы РД 34.45-51.300 - 97 (Объем и нормы испытаний электрооборудования), регламентирующие измерения
сопротивления изоляцииRH3и коэффициента абсорбциикабспри заданных в них уровнях тревоги не предусматривают всех требований к ним, что оказываются явно не достаточным. В них не учитываются особенности физических процессов, протекающих в контролируемых изоляционных промежутках, не устанавливается степень дефектности и степень изношенности работающих материалов. Отсутствие систематических теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении с точки зрения диагностики делают практически бесполезными результаты такого рода контроля.
Хотя изучение поляризационных процессов в диэлектриках успешно проводилось крупными научными школами (петербургская научная школа электротехнического материаловедения: Койков С.Н., Сажин Б.Н., Борисова М.Э. и др.), процессы поляризации (особенно структурной), развивающейся в объеме изоляционных промежутков силовых трансформаторов, методы
исследования и оценивания их основных параметров, по существу, оставлены без внимания. Использование метода измерения величины возвратного напряжения (RVM) и метода контроля величины диэлектрического отклика (PDC) на действие приложенного электрического поля (спадание тока со временем) даже в зарубежной [Е. Gockenbach, A. Shayegani, М. Farachani, Тарап К. Saha] практике диагностического контроля состояния не пошло дальше оценки степени увлажнения твердой изоляции.
В этой связи разработка и исследование высокоэффективных систем диагностического контроля состояния маслонаполненного энергетического оборудования, в основу которых положены результаты изучения: процессов поляризации, развивающихся в диэлектрических материалах изоляционных конструкций; основных закономерностей их старения в эксплуатационных условиях; возможностей непосредственного интегрирования разработанных систем диагностики в технологический процесс обслуживания оборудования и обеспечения требуемого уровня его надежности представляют действительноактуальную научно-техническую проблему современных электротехники и электроэнергетики.
Объектом исследованияявляются изоляционные промежутки силового маслонаполненного оборудования, надежность работы которых обеспечивает не только надежность всего устройства в целом, но и минимум эксплуатационных затрат.
Предметом исследованияявляются закономерности, описывающие развитие процессов поляризации, в том числе и структурной, лежащие в основе, как формирования эффективного параметра контроля, так и принципиально новых методов диагностики работоспособности маслонаполненного оборудования.
Цель работы.Разработка методов контроля и исследования спектров токов структурной поляризации, развивающейся в объеме изоляционных промежутков маслонаполненного оборудования, и создание на этой основе высокоэффективной системы диагностики состояния подобного рода оборудования, непосредственно интегрированной в технологический процесс обслуживания и обеспечения требуемого уровня надежности электроснабжения при минимуме эксплуатационных затрат.
Задачи исследований.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Дать теоретическое описание конструктивных особенностей изоляционной системы, обеспечивающих механическую прочность, электрическую стойкость и долговечность оборудования в целом. Выбрать и обосновать физическую модель изоляционного промежутка силового трансформатора, отражающую основные закономерности поведения
материалов в сложных эксплуатационных условиях в течение длительного времени.
2. Исследовать химический состав, структуру и свойства основных материалов, формирующих изоляционные промежутки, с учетом современных представлений о механизмах их старения.

Разработать комплексный подход к оценке эксплуатационной надежности изоляционного промежутка, отличительной чертой которого является отказ от направленных проверок работающего оборудования и переход к организации эффективно действующей системы управления его длительностью жизни. Учитывая, что увеличение объема контролируемых параметров (за счет включения новых) делает систему более затратной, трудоемкой по времени, неспособной охватить своим вниманием все потенциально опасные трансформаторы.
Сформировать основные принципы управления временем жизни изоляционных промежутков. Разработать новые подходы к определению состояния объекта контроля как некоторой физической величины, требующие специальных методов надежной количественной оценки, позволяющие контролировать степень эксплуатационной пригодности энергетического оборудования и обеспечивающие надежное функционирование технологического процесса диагностики.

5. Дать аналитический обзор существующих методов контроля состояния силовых трансформаторов с точки зрения их диагностических возможностей и практической ценности, которые гарантируются наличием глубоко обоснованных норм, устанавливающих допустимые значения параметров контроля, надежностью аппаратурного и метрологического обеспечения анализируемых методов.
6. Сформулировать основные принципы построения диагностической системы, лежащей в основе управления длительностью жизни объекта контроля и базирующейся на результатах системного анализа накопленного опыта эксплуатации оборудования в течение длительного периода времени.
7. Сформировать комплексный параметр контроля состояния изоляционного промежутка, сочетающий в себе характерные черты обобщенного показателя качества, в том числе и повышенную робастность к сторонним неконтролируемым факторам, который может быть принят в качестве количественной характеристики состояния объекта контроля.
8. Разработать методы оценки и контроля состояния изоляционной системы, позволяющие устанавливать степень изношенности материалов, вычислять оставшийся ресурс времени эксплуатации; представить процессы, протекающие в ней, в виде физической модели; предложить аппаратурное оформление методов и их применение для решения ряда практических задач,
представляющих сущность решаемой в работе научно-практической проблемы.
9. Разработать принципы формирования итогового заключения о состоянии контролируемого промежутка на основе результатов первичной обработки собранной информации, ее анализа и результатов подтверждающих и уточняющих процедур. Формализованный вид представления итогового заключения должен соответствовать требованиям программно-аналитического комплекса современных экспертных систем.
10. Разработать корректирующие мероприятия, реализация которых обеспечит эксплуатацию маслонаполненного оборудования, находящегося под наблюдением, с требуемым уровнем надежности и долговечности при минимуме эксплуатационных затрат.
Методика исследованияпоставленных в работе задач базируется на основных положениях теории электропереноса в сложных диэлектрических системах и сводится к определению параметров процесса электропереноса и изучению его основных закономерностей. Исследование процесса электропереноса во временной области 0 -^ 600 сек, в которой величина токов поляризации заметно превалирует над уровнем тока утечки, потребовало разработки специальных методов и приемов обработки результатов измерения тока, протекающего в разрядном промежутке, и контроля изменения его во времени. В связи с этим был разработан метод формирования спектров токов поляризации, временная область которых может изменяться в широких пределах.
Вид спектра токов поляризации, его характерные основные черты и параметры показали высокую чувствительность к изменению числовых параметров процесса электропереноса за счет развития структурных нарушений в объеме изоляционного промежутка. Поэтому предложенный в работе метод построения спектра токов поляризации и методы изучения основных его характеристик отличаются высокой эффективностью оценки состояния объектов исследования.
Используемый для измерения плотности тока в разрядном промежутке измерительно-вычислительный комплекс С.А6547, снабженный собственным программным обеспечением и микропроцессорным устройством, позволяет контролировать широкий спектр параметров, характеризующих процесс электропереноса в сложных диэлектрических средах(Сиз.,Іут., R-из.,Т, PLЯЯидр.).
Методы корреляционного анализа, широко используемые в работе, позволили установить функциональные зависимости между основными параметрами, характеризующими состояние контролируемого промежутка, и предоставили возможность эффективно использовать методологию
уточняющих и подтверждающих процедур, что в значительной мере повышает достоверность получаемых оценок. Сюда же относятся методы оценки разрядной активности, методы хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле, методы построения полигона сопротивлений совместно с методами анализа поступающей информации (метод непосредственного сопоставления с аналогом, метод назначенного лидера, метод структурирования функций качества, метод вычисления обобщенного индекса поляризации).
Для обоснования разработанного метода контроля состояния изоляционных промежутков кроме материалов теоретического описания отклика диэлектрической среды в выбранной временной области и математического моделирования процесса электропереноса в сложных диэлектрических средах (двухслойный конденсатор Максвелла) в
распоряжении автора работы были результаты экспериментального исследования всех изоляционных промежутков 75-ти силовых трансформаторов (110/35/ 10(6) кВ) при трех уровнях тестирующего напряжения (500, 1000, 2500 кВ), полученные при испытании трансформаторов в полевых условиях, а так же результаты хроматографического анализа каждого из 75 трансформаторов, предоставленные штатными лабораториями ОАО «Смоленскэнерго», ОАО «Брянскэнерго», ОАО «МОЭСК». Таким образом, методы контроля состояния изоляционных промежутков, представленные в этой работе, имеют не только глубокое теоретическое обоснование, но и убедительное экспериментальное подтверждение.
Научная новизнарезультатов, полученных в диссертационной работе, иосновные положения, выносимые на защиту:
1. Впервые выявлены основные закономерности изменения токов поляризации в сложных диэлектрических средах изоляционной системы силового маслонаполненного оборудования от времени его эксплуатации. Их достоверность подтверждается обширным экспериментальным материалом, представляющим собой результаты исследования токов поляризации в изоляционных промежутках 75 трансформаторов напряжением 110/35/10(6)кВ, возраст которых находится в диапазоне 20 -^ 56 лет.
2. Анализ представленного в работе массива экспериментальных результатов позволил:
выделить временную область, в которой превалируют процессы структурной поляризации, что позволило обеспечить высокую чувствительность методов, предлагаемых в работе, к изменению состояния изоляционных систем маслонаполненных трансформаторов; сформировать спектр токов поляризации и выделить его основные параметры, обладающие повышенной чувствительностью к
изменению свойств материалов, работающих в изоляционных промежутках силового трансформатора; разработать комплексный показатель состояния изоляционного промежутка в виде обобщенного индекса поляризации(tpi -total polarization index), представляющий собой максимальное значение функции[t-I(t)Jmax,и позволяющий представить выявленные в работе закономерности в обобщенном виде.

Обнаружена высокая чувствительность разработанного параметраtpiк условиям и времени эксплуатации маслонаполненного оборудования, которая позволяет поставить под инструментальный контроль параметры изоляционной системы(W%- степень увлажнения твердой изоляции; степень ее полимеризации -DP;интенсивность разрядной активности -а;время жизни -ґж), определяющие надежность и долговечность ее работы в сложных эксплуатационных условиях. В результате контроль параметров спектров токов поляризации предоставляет широкие возможности для создания диагностических систем высокого уровня.
Установлена адекватность значений комплексного показателя качестваQ(X) = ^aiXiизоляционного промежутка значениям его комплексного

показателя изношенностиQ(t) = ^aiIi, представляющим, по существу, свертку
спектра токов поляризации (Хі - относительная величина і-го параметра контроля промежутка, aIt-значения тока поляризации вi-ыемоменты времени), которая упрощает анализ спектров тока поляризации и расширяет возможности предлагаемых в работе методов диагностирования состояния контролируемого оборудования.
5. Разработаны методы обработки и анализа получаемой на опыте информации, обеспечивающие физическую обоснованность, надежность и достоверность получаемых оценок состояни