Помощь студентам в учебе
Разработка концепции технической части системы мониторинга силового трансформатора для раннего определения аварийных режимов работы
|
Введение 5
1 Параметры определяемые посредством АРГ 11
2 Методология диагностики повреждений методом АРГ 16
3 Оборудование необходимое для предиктивного мониторинга 22
4 Схемы подключения оборудования предиктивного мониторинга 28
5 Протоколы передачи данных 33
6 Достоинства и недостатки предиктивного мониторинга 41
Заключение 45
Список используемой литературы 47
1 Параметры определяемые посредством АРГ 11
2 Методология диагностики повреждений методом АРГ 16
3 Оборудование необходимое для предиктивного мониторинга 22
4 Схемы подключения оборудования предиктивного мониторинга 28
5 Протоколы передачи данных 33
6 Достоинства и недостатки предиктивного мониторинга 41
Заключение 45
Список используемой литературы 47
Энергетика Российской Федерации является флагманом технолого - экономического развития, без стабильной собственной энергосистемы невозможно добиться никаких результатов и прорывов в технологиях широкого спектра, именно от энергосистемы страны зависит развитие комплекса ЖКХ, оборонной промышленности и научно-исследовательского комплекса. Именно поэтому энергоснабжение отнесено к приоритетному направлению развития Российской Федераций [2], идти в ногу со временем и находится на острие современных цифровых технологий. В обстановке нынешнего мира, как нельзя хуже может проявится технологическая отсталость энергетической сферы, что так же может привести к плачевным последствиям других стратегических сфер или же вообще к энергетической деградации государства.
Стоит отметить, что именно трансформаторное оборудование является ключевым звеном в цепи поставки электроэнергии от пунктов генерации до готовых потребителей, при их непосредственной работе происходит понижение приходящего от электростанций высокого напряжения до уровня стандартного сетевого напряжение. Сложно представить без какого-либо трансформаторного оборудования не только производственный предприятия и промышленность, но и привычное нам городское энергоснабжение с его социальной сферой, которая имеет далеко не последнее значения для технологического развития.
Вместе с тем, трансформаторы являются достаточно уязвимыми . Вследствие того, что большинство трансформаторного оборудования , используемого в Российской Федерации , представляют собой образцы, произведённые в 70-х и 80-х годах по технологиям производства и контроля качества применяемыми в СССР, то они склонны к различного рода поломкам и неисправностям, а также к анормальным режимам работы.
По данным Министерства Энергетики Российской Федерации, только 75% от трансформаторного оборудования, используемого в энергосетях Российской Федерации, находятся в удовлетворительном состоянии, из чего можно сделать вывод о том, что четверть оборудования подвержена повреждениям и анормальной работе с гораздо большим риском. По данным того же Министерства Энергетики следует, что 36% электросетевого комплекса имеет отрицательный характер динамического роста [1]. ■ положительный характер динамики развития электросетевого комплекса
■ стабильное состояние электросетевого комплекса
■ отрицательный характер динамики развития электросетевого комплекса
Рисунок 2 - Динамика развития распределительных сетей
Всё это может свидетельствовать о том, что трансформаторное оборудование в промышленных и городских распределительных, сетях если и не находится в неподобающим состоянии, то всё равно далеко от идеала. Без надлежащего контроля за состоянием подобного оборудования, невозможно рассчитывать на дальнейший технологической рост в энергетической сфере.
Рассмотрим цикл ремонта трансформатора на примере трансформатора ТРДН 250000/110: его стоимость на начало 2020 года составляет 125 000 000 руб., при его непосредственной диагностики и ремонте средние затраты составляют 25 000 000, в случае же выхода трансформатора из строя, в его капитальный ремонт закладывается порядка 70% от стоимости нового трансформатора. Стоит так же учитывать и временные затраты на перевозку трансформатора от места его установки до места ремонта и диагностики , саму диагностику и обратные транспортные перевозки. Описанные выше пример, является лишь одним из нескольких сотен трансформаторов, находящихся в неудовлетворительном или критическом состоянии.
На рисунке 3 приведён пример возрастания стоимости эксплуатации трансформатора, находящегося в критическом состоянии (сверху), показана его начальная цена, цена стандартного обслуживания и стоимость капитального ремонта в случае его фатальной неисправности. Так же заложена стоимость эксплуатации всего трансформаторного оборудования (снизу) , затраты на эксплуатацию оборудования, находящегося в ненадлежащем состоянии заметно выше, при общем количестве такого оборудования в четверть от всего.
К чему же приводит эксплуатация подобных трансформаторов ? Рассмотрим этот вопрос в перспективы города, в котором большинство энергопотребителей относится к третьей и второй категории. Во -первых, при выходе трансформатора из строя, может произойти прямое нарушение питания потребителей, так как хоть потребители второй категории и питаются посредствам двух независимых источников, но перерыв в их снабжении допускается на время, за которое технический персонаж прибудет на объект и обеспечит оперативное переключения на вторую питающую линию. Жилые дома и участки, которые относятся к третьей категории и соответственно питаются только от одного источника, не имеют нормированного времени на отключение питания. При эксплуатации же трансформаторного оборудования, находящегося в ненадлежащем техническом состоянии , повышается стоимость подобной эксплуатации , которая будет сильно завесить от стоимости диагностики и ремонта повреждённого или вышедшего из строя оборудования. Для конечного потребителя подобное повышение стоимости эксплуатации приведёт к повышению тарифов на электроэнергию, особенно больно это может ударить по государственным учреждениям с фиксированным бюджетом. Здесь так же стоит упоминать то, что по данным Министерства Энергетики признаётся, что 20% объектов энергосетевых компаний имеют низкую эффективность мероприятий по снижению потерь [3], что при условии эксплуатации трансформаторов, находящихся в неудовлетворительном состоянии, может приводить к росту стоимости тарифов. Так же стоит добавить то, что с каждым последующим годом эксплуатации неудовлетворительного оборудования будет возрастать и стоимость подобной эксплуатации.
Общая тенденция на цифровизацию в Российской Федерации, берущая своё начало в середине 2010-х годов, породила ряд вызовов для традиционных подстанций, которые фактически оказались не готовы к внедрению цифровых технологии. На это были в том числи и причины слабости отечественного рынка цифровых устройств и систем мониторинга, которые не могут составить конкуренцию западным образцам, отличающимся высокой степенью надёжности.
В подавляющем большинстве случаев на сегодняшний день активные системы мониторинга устанавливаются на трансформаторы классом напряжения 220 кВ и выше. Распределительные и маломощные трансформаторы напряжением до 110 кВ остаются менее защищенными. Но даже на те трансформаторы, которые оснащаются системами мониторинга, обслуживаются исходя из стандартов, разработанных в прошлые десятилетия, что в свою очередь может привести к крупным экономическим потерям. Так, например, трансформатор ТДН-16000/110У1 подвергся длительному воздействию токов короткого замыкания (КЗ), что привело к деформации и оплавлению низковольтной обмотки и полной ее замене.
Это приводит к тому, что зачастую для мониторинга всё так же используются традиционные методы [24], например анализ растворённых в трансформаторном масле газов, которые имеют свои недостатки по сравнению с методом анализа амплитудно-частотных характеристик трансформатора.
Цель выпускной квалификационной работы (ВКР): разработка технической части системы предиктивного мониторинга состояния силового трансформатора, который при помощи амплитудно-частотного анализа позволит определять анормальные и аварийные режимы работы на ранних стадиях
Объект исследования: силовой трансформатор, микропроцессорный блок управления, цифровой осциллограф, оптический трансформатор.
Основные задачи ВКР:
- Разработать техническую часть системы мониторинга
- Разработать методы подключения оборудования для предиктивного мониторинга
- Провести выбор оборудования, который позволит производить предиктивный мониторинг
- Провести сравнение концептуальной системы мониторинга с уже имеющимися системами газоанализаторов с целью заключения о целесообразности введения новшеств.
Стоит отметить, что именно трансформаторное оборудование является ключевым звеном в цепи поставки электроэнергии от пунктов генерации до готовых потребителей, при их непосредственной работе происходит понижение приходящего от электростанций высокого напряжения до уровня стандартного сетевого напряжение. Сложно представить без какого-либо трансформаторного оборудования не только производственный предприятия и промышленность, но и привычное нам городское энергоснабжение с его социальной сферой, которая имеет далеко не последнее значения для технологического развития.
Вместе с тем, трансформаторы являются достаточно уязвимыми . Вследствие того, что большинство трансформаторного оборудования , используемого в Российской Федерации , представляют собой образцы, произведённые в 70-х и 80-х годах по технологиям производства и контроля качества применяемыми в СССР, то они склонны к различного рода поломкам и неисправностям, а также к анормальным режимам работы.
По данным Министерства Энергетики Российской Федерации, только 75% от трансформаторного оборудования, используемого в энергосетях Российской Федерации, находятся в удовлетворительном состоянии, из чего можно сделать вывод о том, что четверть оборудования подвержена повреждениям и анормальной работе с гораздо большим риском. По данным того же Министерства Энергетики следует, что 36% электросетевого комплекса имеет отрицательный характер динамического роста [1]. ■ положительный характер динамики развития электросетевого комплекса
■ стабильное состояние электросетевого комплекса
■ отрицательный характер динамики развития электросетевого комплекса
Рисунок 2 - Динамика развития распределительных сетей
Всё это может свидетельствовать о том, что трансформаторное оборудование в промышленных и городских распределительных, сетях если и не находится в неподобающим состоянии, то всё равно далеко от идеала. Без надлежащего контроля за состоянием подобного оборудования, невозможно рассчитывать на дальнейший технологической рост в энергетической сфере.
Рассмотрим цикл ремонта трансформатора на примере трансформатора ТРДН 250000/110: его стоимость на начало 2020 года составляет 125 000 000 руб., при его непосредственной диагностики и ремонте средние затраты составляют 25 000 000, в случае же выхода трансформатора из строя, в его капитальный ремонт закладывается порядка 70% от стоимости нового трансформатора. Стоит так же учитывать и временные затраты на перевозку трансформатора от места его установки до места ремонта и диагностики , саму диагностику и обратные транспортные перевозки. Описанные выше пример, является лишь одним из нескольких сотен трансформаторов, находящихся в неудовлетворительном или критическом состоянии.
На рисунке 3 приведён пример возрастания стоимости эксплуатации трансформатора, находящегося в критическом состоянии (сверху), показана его начальная цена, цена стандартного обслуживания и стоимость капитального ремонта в случае его фатальной неисправности. Так же заложена стоимость эксплуатации всего трансформаторного оборудования (снизу) , затраты на эксплуатацию оборудования, находящегося в ненадлежащем состоянии заметно выше, при общем количестве такого оборудования в четверть от всего.
К чему же приводит эксплуатация подобных трансформаторов ? Рассмотрим этот вопрос в перспективы города, в котором большинство энергопотребителей относится к третьей и второй категории. Во -первых, при выходе трансформатора из строя, может произойти прямое нарушение питания потребителей, так как хоть потребители второй категории и питаются посредствам двух независимых источников, но перерыв в их снабжении допускается на время, за которое технический персонаж прибудет на объект и обеспечит оперативное переключения на вторую питающую линию. Жилые дома и участки, которые относятся к третьей категории и соответственно питаются только от одного источника, не имеют нормированного времени на отключение питания. При эксплуатации же трансформаторного оборудования, находящегося в ненадлежащем техническом состоянии , повышается стоимость подобной эксплуатации , которая будет сильно завесить от стоимости диагностики и ремонта повреждённого или вышедшего из строя оборудования. Для конечного потребителя подобное повышение стоимости эксплуатации приведёт к повышению тарифов на электроэнергию, особенно больно это может ударить по государственным учреждениям с фиксированным бюджетом. Здесь так же стоит упоминать то, что по данным Министерства Энергетики признаётся, что 20% объектов энергосетевых компаний имеют низкую эффективность мероприятий по снижению потерь [3], что при условии эксплуатации трансформаторов, находящихся в неудовлетворительном состоянии, может приводить к росту стоимости тарифов. Так же стоит добавить то, что с каждым последующим годом эксплуатации неудовлетворительного оборудования будет возрастать и стоимость подобной эксплуатации.
Общая тенденция на цифровизацию в Российской Федерации, берущая своё начало в середине 2010-х годов, породила ряд вызовов для традиционных подстанций, которые фактически оказались не готовы к внедрению цифровых технологии. На это были в том числи и причины слабости отечественного рынка цифровых устройств и систем мониторинга, которые не могут составить конкуренцию западным образцам, отличающимся высокой степенью надёжности.
В подавляющем большинстве случаев на сегодняшний день активные системы мониторинга устанавливаются на трансформаторы классом напряжения 220 кВ и выше. Распределительные и маломощные трансформаторы напряжением до 110 кВ остаются менее защищенными. Но даже на те трансформаторы, которые оснащаются системами мониторинга, обслуживаются исходя из стандартов, разработанных в прошлые десятилетия, что в свою очередь может привести к крупным экономическим потерям. Так, например, трансформатор ТДН-16000/110У1 подвергся длительному воздействию токов короткого замыкания (КЗ), что привело к деформации и оплавлению низковольтной обмотки и полной ее замене.
Это приводит к тому, что зачастую для мониторинга всё так же используются традиционные методы [24], например анализ растворённых в трансформаторном масле газов, которые имеют свои недостатки по сравнению с методом анализа амплитудно-частотных характеристик трансформатора.
Цель выпускной квалификационной работы (ВКР): разработка технической части системы предиктивного мониторинга состояния силового трансформатора, который при помощи амплитудно-частотного анализа позволит определять анормальные и аварийные режимы работы на ранних стадиях
Объект исследования: силовой трансформатор, микропроцессорный блок управления, цифровой осциллограф, оптический трансформатор.
Основные задачи ВКР:
- Разработать техническую часть системы мониторинга
- Разработать методы подключения оборудования для предиктивного мониторинга
- Провести выбор оборудования, который позволит производить предиктивный мониторинг
- Провести сравнение концептуальной системы мониторинга с уже имеющимися системами газоанализаторов с целью заключения о целесообразности введения новшеств.
В рамках выполнения выпускной квалификационной работы, направленной на разработку концепции технической части системы мониторинга силового трансформатора для раннего определения аварийных режимов работы, на первом этапе определена актуальность работы и важность предлагаемого подхода, который заключается в разработке метода, позволяющего определять от 75% до 85% всех дефектов, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации трансформатора. Несмотря на то, что имеющиеся методы контроля технического состояния трансформатора зарекомендовали себя, как достаточно точные и эффективные способы мониторинга параметров его работы до сих пор вопрос контроля магнитной системы остается открытым.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы был разработан и предложен концепт технологической части системы мониторинга и предиктивного анализа состояния трансформатора с использованием метода амплитудно-частотных характеристик.
Проведен подробный анализ уже имеющихся систем мониторинга трансформаторного оборудования, в частности силовых трансформаторов. Определено, что наиболее распространенным на сегодняшнее время в системах мониторинга является метода анализа растворённых в масле газов. Для данного метода подробно рассмотрены виды и типы повреждений и дефектов, которые могут быть идентифицированы.
Рассмотрен пример оборудования, которое будет задействовано при построении подобной системы мониторинга, определены преимущества перед традиционной и уже имеющейся аппаратурой. Выбраны схемы подключения и их особенности для выбранного оборудования.
Предложенная концепция предиктивной системы анализа трансформаторного оборудования уже находится в части производства и реализации, идёт активное сотрудничество в данной сфере с такими компаниями как Завод «Автотрансформатор» и ООО «Тольяттинский трансформатор». Данное сотрудничество заключается в проведении полевых испытаний на сборных стендах, а также дополнительных исследований реакции магнитной системы трансформатора на различного вид неисправности.
Основным достоинством выпускной квалификационной работы является ее практическая значимость и реализация. По результатам выполнения выпускной квалификационной работы планируется разработать реально функционирующую, инновационную систему мониторинга и анализа состояния силового трансформатора, которая станет частью основных систем мониторинга стандартизированных и используемых в ПАО «Россети». Для этого помимо определения типа дефекта разрабатываемый комплекс должен прогнозировать период времени, который поврежденный трансформатор может оставаться функционирующим в зависимости от имеющегося повреждения.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы был разработан и предложен концепт технологической части системы мониторинга и предиктивного анализа состояния трансформатора с использованием метода амплитудно-частотных характеристик.
Проведен подробный анализ уже имеющихся систем мониторинга трансформаторного оборудования, в частности силовых трансформаторов. Определено, что наиболее распространенным на сегодняшнее время в системах мониторинга является метода анализа растворённых в масле газов. Для данного метода подробно рассмотрены виды и типы повреждений и дефектов, которые могут быть идентифицированы.
Рассмотрен пример оборудования, которое будет задействовано при построении подобной системы мониторинга, определены преимущества перед традиционной и уже имеющейся аппаратурой. Выбраны схемы подключения и их особенности для выбранного оборудования.
Предложенная концепция предиктивной системы анализа трансформаторного оборудования уже находится в части производства и реализации, идёт активное сотрудничество в данной сфере с такими компаниями как Завод «Автотрансформатор» и ООО «Тольяттинский трансформатор». Данное сотрудничество заключается в проведении полевых испытаний на сборных стендах, а также дополнительных исследований реакции магнитной системы трансформатора на различного вид неисправности.
Основным достоинством выпускной квалификационной работы является ее практическая значимость и реализация. По результатам выполнения выпускной квалификационной работы планируется разработать реально функционирующую, инновационную систему мониторинга и анализа состояния силового трансформатора, которая станет частью основных систем мониторинга стандартизированных и используемых в ПАО «Россети». Для этого помимо определения типа дефекта разрабатываемый комплекс должен прогнозировать период времени, который поврежденный трансформатор может оставаться функционирующим в зависимости от имеющегося повреждения.