Помощь студентам в учебе
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ЗОНДИРОВАНИЕМ НИЗКОВОЛЬТНЫМИ НАНОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИЧИН ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 19
1.1 Анализ фактического выхода из строя высоковольтных силовых
трансформаторов 19
1.2 Анализ причин возникновения проблемных ситуаций при работе трансформаторов 22
1.3 Анализ применяемых технологий контроля состояния обмоток высоковольтных
трансформаторов 30
1.3.1 Измерение потерь холостого хода 30
1.3.2 Измерение сопротивления изоляции обмоток трансформатора 31
1.3.3 Измерение коэффициента трансформации 32
1.3.4 Измерение сопротивления обмоток на постоянном токе 32
1.3.5 Вибрационный контроль 34
1.3.6 Метод низковольтных импульсов 37
1.3.7 Метод анализа частотных характеристик (МЧА) 42
Выводы к Главе 1 48
ГЛАВА 2. КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА ЗОНДИРОВАНИЕМ НАНОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ НА ФИЗИЧЕСКОЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЯХ 49
2.1 Разработка и создание физической и математической моделей силового
трансформатора 49
2.1.1 Разработка и создание физической модели силового трансформатора 49
2.1.2 Разработка и создание математической модели силового трансформатора 52
2.2 Исследование на физической модели силового трансформатора 61
2.2.1 Эксперименты по выявлению межвитковых коротких замыканий 61
2.2.2 Прохождение зондирующего импульса по низковольтной обмотке физической
модели трансформатора 63
2.2.3. Прохождение зондирующего импульса по высоковольтной обмотке физической
модели трансформатора 66
2.2.4. Эксперименты по выявлению радиального и аксиального смещения витков
обмотки 69
2.2.5. Закономерности изменения форм откликов при различных способах соединения
обмоток 71
А. Соединение обмоток по схеме «звезда-звезда» 71
Б. Соединение обмоток по схеме «звезда - треугольник» 72
2.2.6 Диагностика под рабочим напряжением 73
2.2.7 Эксперименты, подтверждающие высокую чувствительность метода
«наносекундных импульсов» 75
2.2.8 Влияние формы зондирующего импульса на чувствительность диагностической
процедуры 76
2.2.9 Влияние длительности зондирующего импульса на чувствительность
диагностической процедуры 78
2.2.10 Влияние длительности фронта зондирующего импульса на чувствительность
диагностической процедуры 80
2.2.11 Исследования на математической модели силового трансформатора 81
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ
СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ЗОНДИРОВАНИЕМ НАНОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ 84
3.1 Разработка принципиальной схемы и макетного образца генератора зондирующих
импульсов 84
Основные технические требования, предъявляемые к генератору: 84
3.2 Разработка и апробация программы для обработки результатов диагностики 96
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОГО
ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА РЕАЛЬНОМ ТРАНСФОРМАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ 98
4.1 Выбор критерия эффективности 102
4.2 Исследование чувствительности при наличии дефекта типа «межвитковое короткое замыкание» в обмотке ВН 103
4.2.1 Диагностика наносекундным импульсом 103
4.2.2 Диагностика прибором FRAX-150 105
4.2.3 Диагностика дефекта типа «аксиальное смещение витков» в обмотке ВН фазы A
зондированием наносекундными импульсами 106
4.2.4 Диагностика дефекта типа «аксиальное смещение витков» в обмотке ВН фазы A
методом FRA с применением прибора FRAX-150 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 117
3030ЛОЖЕНИЕ А. Пошаговое описание работы с "программой цифровой обработки данных" 136
ПА.1 Визуализация осциллограмм 136
ПА.2 Сохранение визуализированных осциллограмм 143
ПА.3 Обработка осциллограмм 144
ПА.4 Получение разности осциллограмм 146
ПА.5 Получение графиков обработанных сигналов 146
ПА.6 Порядок работы с программой «PDDP» 150
ПА.7 Блок-схема разработанной программы 155
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Элементы схемы генератора согласно спецификации
ФЮРА.005.СС.000.СП 166
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИЧИН ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 19
1.1 Анализ фактического выхода из строя высоковольтных силовых
трансформаторов 19
1.2 Анализ причин возникновения проблемных ситуаций при работе трансформаторов 22
1.3 Анализ применяемых технологий контроля состояния обмоток высоковольтных
трансформаторов 30
1.3.1 Измерение потерь холостого хода 30
1.3.2 Измерение сопротивления изоляции обмоток трансформатора 31
1.3.3 Измерение коэффициента трансформации 32
1.3.4 Измерение сопротивления обмоток на постоянном токе 32
1.3.5 Вибрационный контроль 34
1.3.6 Метод низковольтных импульсов 37
1.3.7 Метод анализа частотных характеристик (МЧА) 42
Выводы к Главе 1 48
ГЛАВА 2. КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА ЗОНДИРОВАНИЕМ НАНОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ НА ФИЗИЧЕСКОЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЯХ 49
2.1 Разработка и создание физической и математической моделей силового
трансформатора 49
2.1.1 Разработка и создание физической модели силового трансформатора 49
2.1.2 Разработка и создание математической модели силового трансформатора 52
2.2 Исследование на физической модели силового трансформатора 61
2.2.1 Эксперименты по выявлению межвитковых коротких замыканий 61
2.2.2 Прохождение зондирующего импульса по низковольтной обмотке физической
модели трансформатора 63
2.2.3. Прохождение зондирующего импульса по высоковольтной обмотке физической
модели трансформатора 66
2.2.4. Эксперименты по выявлению радиального и аксиального смещения витков
обмотки 69
2.2.5. Закономерности изменения форм откликов при различных способах соединения
обмоток 71
А. Соединение обмоток по схеме «звезда-звезда» 71
Б. Соединение обмоток по схеме «звезда - треугольник» 72
2.2.6 Диагностика под рабочим напряжением 73
2.2.7 Эксперименты, подтверждающие высокую чувствительность метода
«наносекундных импульсов» 75
2.2.8 Влияние формы зондирующего импульса на чувствительность диагностической
процедуры 76
2.2.9 Влияние длительности зондирующего импульса на чувствительность
диагностической процедуры 78
2.2.10 Влияние длительности фронта зондирующего импульса на чувствительность
диагностической процедуры 80
2.2.11 Исследования на математической модели силового трансформатора 81
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ
СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ЗОНДИРОВАНИЕМ НАНОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ 84
3.1 Разработка принципиальной схемы и макетного образца генератора зондирующих
импульсов 84
Основные технические требования, предъявляемые к генератору: 84
3.2 Разработка и апробация программы для обработки результатов диагностики 96
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОГО
ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА РЕАЛЬНОМ ТРАНСФОРМАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ 98
4.1 Выбор критерия эффективности 102
4.2 Исследование чувствительности при наличии дефекта типа «межвитковое короткое замыкание» в обмотке ВН 103
4.2.1 Диагностика наносекундным импульсом 103
4.2.2 Диагностика прибором FRAX-150 105
4.2.3 Диагностика дефекта типа «аксиальное смещение витков» в обмотке ВН фазы A
зондированием наносекундными импульсами 106
4.2.4 Диагностика дефекта типа «аксиальное смещение витков» в обмотке ВН фазы A
методом FRA с применением прибора FRAX-150 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 117
3030ЛОЖЕНИЕ А. Пошаговое описание работы с "программой цифровой обработки данных" 136
ПА.1 Визуализация осциллограмм 136
ПА.2 Сохранение визуализированных осциллограмм 143
ПА.3 Обработка осциллограмм 144
ПА.4 Получение разности осциллограмм 146
ПА.5 Получение графиков обработанных сигналов 146
ПА.6 Порядок работы с программой «PDDP» 150
ПА.7 Блок-схема разработанной программы 155
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Элементы схемы генератора согласно спецификации
ФЮРА.005.СС.000.СП 166
В настоящее время в энергетике ощущается переизбыток устаревшего парка высоковольтного силового оборудования. Во многих электроэнергетических организациях износ силового оборудования доходит до 80-90 %. Тем не менее большинство единиц оборудования, требующего замены, остается в эксплуатации. Это связано, прежде всего, с экономическими причинами - отсутствие необходимых средств на замену морально и физически устаревшего силового оборудования. Одним из приоритетных направлений поддержания этого оборудования в надежном рабочем виде в электроэнергетике в настоящее время считается эксплуатация и ремонт электрооборудования по состоянию. Отсюда растут затраты на их содержание, т.к. в процессе эксплуатации изношенного оборудования неминуемо требуется его комплексное обследование и диагностика. Трансформаторы, выработавшие назначенный техническими условиями срок службы, также остаются в эксплуатации, т.к. средств на их замену тоже недостаточно. Силовые трансформаторы относятся к разряду основного электроэнергетического оборудования, и от их надежности в значительной степени зависит надежность работы всей энергосистемы в целом. Обеспечение надежной эксплуатации силовых трансформаторов опирается на известные технологии контроля их состояния. Многие из этих технологий опираются на сложные и дорогостоящие приборы и оборудование, требует высококвалифицированного персонала и требуют, как правило, отключения трансформатора от сети, что трудоемко и отвлекает не малые затраты средств и времени. В связи с этим совершенствование известных методов, а также поиск и разработка новых, удовлетворяющих современным требованиям, средств и методов контроля состояния силовых трансформаторов является сложной, но актуальной задачей. Среди широкого спектра возможных дефектов трансформаторов можно выделить такие, которые проявляются не сразу, а в течение нескольких месяцев и даже лет. К ним можно отнести сдвиг витков обмотки в осевом, радиальном и диагональном направлениях, распрессовка обмоток, выпучивание отдельных витков. Такие дефекты, изменяя геометрию обмотки, практически не влияют на основные параметры трансформатора, такие как токи, потери, индуктивности обмоток. Тем не менее из-за изменения расстояния между витками, например, при их сдвиге, меняются локальные электрические поля: между некоторыми витками напряженность поля увеличивается, а между некоторыми - уменьшается. В местах увеличения электрического поля по отношению к штатному начинают ускоренно развиваться процессы деструкции целлюлозосодержащей изоляции, возникают локальные перегревы масла, появляются частичные разряды. Все эти процессы в совокупности ведут к деградации изоляции, которая приводит к непредсказуемому межвитковому замыканию, или в случае замыканий за трансформатором к протеканию через обмотки трансформатора токов короткого замыкания (КЗ), которые усугубляют ситуацию с отклонением витков от штатного взаиморасположения и последующему ускорению деградации изоляции. Департамент генеральной инспекции по эксплуатации электрических станций и сетей РАО "ЕЭС России" приводит данные для силовых трансформаторов на классы напряжения 110...500 кВ, мощностью от 63 МВА и выше, эксплуатируемых в электрических сетях России, которые показывают, что 30 % повреждений в трансформаторах приводят к КЗ внутри трансформатора. Расследования причин КЗ внутри трансформаторов показывают, что основная их первопричина - пробой изоляции обмоток, которому предшествовали КЗ за пределами трансформатора, вызвавшие изменение конфигурации обмоток из-за их недостаточной электродинамической стойкости. Данные авторов работ [1-5] показывают две основные причины повреждаемости трансформаторов: недостаточная динамическая стойкость витков обмоток при внешних КЗ и пробой внутренней изоляции.
Существует ряд физических методов и технических средств контроля состояния трансформаторов, основу которых составляют физико-химическая диагностика, акустический контроль, измерения на постоянном токе сопротивления изоляции обмоток, измерение тангенса угла диэлектрических потерь, тепловизионный контроль, а также ряд методов электрического контроля. Общим недостатком этих методов является возможность выявлять с их помощью лишь определенные виды дефектов. В настоящее время отсутствует метод, позволяющий определять повреждения и отклонения от норм механического состояния всех узлов трансформатора. Эффективным методом решения данной проблемы является контроль механического состояния обмоток трансформатора при помощи низковольтных импульсов, получивший название метод НВИ. Суть данного метода заключается в подаче на один из выводов трансформатора импульса напряжения амплитудой 100...500 В, который не представляет опасности для изоляции обмоток трансформатора, снятии сигнала-отклика с обмоток других фаз и в их анализе [2-5]. В основе метода НВИ по выявлению дефектной обмотки лежит сравнение сигналов-откликов, полученных на заведомо исправном трансформаторе, с результатами последующих профилактических испытаний. Метод НВИ был предложен в 1966 г. в Институте электротехники (г. Варшава, Польша) В. Лехом и Л. Тымински [6], и сразу получил признание ведущих мировых центров по разработке и внедрению новых технологий контроля состояния трансформаторного оборудования [712]. В дальнейшем, в 1970 - 1990 г.г., метод НВИ интенсивно развивался в СССР во Всероссийском Электротехническом Институте им. Ленина (ВЭИ) и получил название «импульсное дефектографирование». В ходе выполнения исследовательских и опытно-конструкторских работ, были получены результаты, позволившие с полным основанием считать технологию импульсного дефектографирования самым совершенным, на тот момент, способом контроля состояния обмоток трансформаторного оборудования. У истоков создания этой технологии диагностики обмоток трансформаторов стояли Г.В. Аветиков, А.А. Дробышевский, Е.А. Попов, Е.И. Левицкая и др. [1, 2, 14, 15]. Процесс контроля осуществляется на основе принципа последовательного дефектографирования обмоток и сравнения результатов текущих и предыдущих измерений, т.е. представляет собой сравнение нормограммы, полученной на заводе-изготовителе или на заведомо исправном трансформаторе, и дефектограммы, полученной в результате текущего зондирования. Это позволяет оценивать состояние трансформатора.
Физическая основа метода НВИ и импульсного дефектографирования (ИД) заключается в следующем. Относительно незначительные изменения геометрии обмоток в виде сдвигов, выпучивания и т.п. приводят к существенному изменению межвитковых и межкатушечных емкостей, емкостей обмотки относительно магнитопровода и относительно бака. Изменение геометрии обмоток приводит к изменениям индуктивности отдельных деформированных витков обмотки по отношению к первоначальной. В совокупности любые изменения емкостей и индуктивностей витков обмотки меняют собственные частотные характеристики деформированных участков обмотки по сравнению с штатным расположением витков обмотки, что отражается на изменении амплитудно-частотной характеристике всей обмотки по сравнению со штатной или к изменению формы импульса-отклика при приложении к обмотке квазипрямоугольного импульса. На этих принципиальных изменениях частотных характеристик обмотки и основан метод НВИ по определению механического состояния обмоток, который обладает, как показывают эксперименты и моделирование на цифровых моделях, более высокой чувствительностью по сравнению с методом измерения сопротивления КЗ. У метода НВИ, как у всякого метода, есть недостаток, который выражается в необходимости строго соблюдать схему измерения и подключения зондирующего генератора при всех предыдущих и последующих измерениях, т.к. этот метод, обладая высокой чувствительностью, реагирует на любые паразитные емкости и индуктивности как в цепи зондирующего генератора, так и в измерительной цепи, в которой регистрируются сигналы-отклики. Другая проблема, которая связана с методом НВИ, заключается в отсутствие нормограмм для трансформаторов, которые до этого не проходили диагностику данным методом. Развитие этого метода и включение его в нормативные документы для трансформаторов позволит существенно снизить указанные недостатки, а эксплуатация будет получать новые трансформаторы с нормограммами по методу НВИ, что существенно упростит процедуру диагностики и контроля механического состояния обмоток как новых трансформаторов, так и трансформаторов длительно находящихся в эксплуатации. Для проведения диагностики методом НВИ и обработки получаемых результатов требуются должным образом подготовленные специалисты, получившие специальное электротехническое образование и прошедшие подготовку [10, 15]. Метод НВИ интенсивно внедрялся на трансформаторных заводах (г.г. Тольятти и Запорожье) и электроэнергетических системах СССР. Существенный вклад в развитие и внедрение ИД внесли работы А.Ю. Хренникова c сотрудниками по дефектографированию силовых трансформаторов Самараэнерго [3, 5, 713]. На основе результатов этих работ планировалось включить импульсное дефектографирование в список обязательных профилактических мероприятий при обследовании трансформаторов [12-15].
Не смотря на продемонстрированные технологические достоинства импульсного дефектографирования и признание его как наиболее точного и совершенного (80-е годы прошлого века), оно не получило продолжения и прекратило развитие в начале 1990-х годов по ряду технических, организационных и экономических причин. Метод НВИ после ряда научных исследований был усовершенствован и реализован в виде метода анализа частотных характеристик, известный ныне как технология FRA или метод частотного анализа (МЧА) [16-32]. МЧА является результатом совершенствования метода НВИ и состоит в подаче на одну из обмоток сигнала напряжения с амплитудой на уровне 10 В плавно изменяющегося по частоте в диапазоне от 1 Гц до 2 МГц. При этом на одной из соседних обмоток регистрируется сигнал переходного процесса в амлитудно- частотной зависимости. Сравнение сигналов АЧХ при периодических обследованиях составляет суть метода МЧА. Метод предложен в Канаде в 1978 г. и с этого момента исследование технологии МЧА ведется интенсивными темпами в ведущих лабораториях мира и к настоящему времени получены значительные результаты [32-45]. В РФ работы, в области совершенствования метода МЧА, проводятся в ВЭИ [46, 47]. На сегодняшний день специальная рабочая группа международной комиссии СИГРЭ, обобщив накопленный международный опыт, предлагает для диагностики механического состояния обмоток трансформатора использовать метод амплитудно-частотного анализа [48]. Последующей нормативной базой в этой области будет стандарт МЭК, который, как предполагается, склоняется к методу частотного анализа. Рабочая группа МЭК предполагает разработать измерительные схемы, требования к измерительной аппаратуре, требования к квалификации технического персонала, методы учета факторов, воздействующих на результаты измерений, привести конкретные примеры диагностики разного вида повреждений трансформаторов [49-51].
Оба метода - и НВИ, и FRA имеют предел чувствительности, определяемый частотными параметрами импульса, используемого для диагностики для метода НВИ и частотным диапазоном подаваемого синусоидального сигнала для метода FRA. В настоящее время не накоплен необходимый экспериментальный материал по интерпретации результатов по обоим методам и не созданы базы данных нормограмм для большинства эксплуатируемых трансформаторов, поэтому выводы по результатам
диагностики обоими методами не дают объективной картины по состоянию трансформатора и приводят к ошибочным заключениям о состоянии активной части трансформатора [52, 55]. Основным путем исключения
ошибочных выводов и повышения разрешающей способности к разным отклонениям геометрии обмоток трансформатора он штатной является расширение спектра частот зондирующих сигналов в сторону высоких частот. Известно, что нормируемый грозовой импульс 1,2/50 мкс, в своем спектре содержит верхнюю частоту 500 кГц, а при диагностике методом FRA верхний диапазон частот доходит до 2 МГц.
Метод частотного анализа не находит широкого внедрения в электроэнергетических системах РФ, не смотря на ряд его очевидных достоинств, затруднено проблемами технического и организационного плана. Отсутствие нормограмм практически для всех типов трансформаторов, и недостаточная квалификация испытателей приводят к периодическим ошибкам в постановке диагноза, что в службах эксплуатации формирует мнение, что эти методы не являются совершенной технологией контроля состояния обмоток [52-57].
Вместе с тем, анализ литературных источников и впечатляющие результаты, которые были получены квалифицированными специалистами при внедрении технологии импульсного дефектографирования в электроэнергетических системах РФ, позволяют считать его не заслуженно забытым [10-13]. Неточности и погрешности при сравнении осциллограмм, недостаточное качество и отсутствие возможности записи результатов осциллографирования в цифровом формате, сложность, а иногда и невозможность точного воспроизведения схемы измерения, отсутствие нормограмм и ряд других проблем в сочетании с организационными и финансовыми трудностями 90-х годов прошлого века, привели к практическому прекращению использования технологии ИД в энергосистемах России. Наши исследования доказывают, что одним из возможных путей повышения чувствительности при использовании импульсного метода зондирования обмоток силовых трансформаторов, является расширение частотного спектра зондирующего импульса в сторону высоких частот вплоть до 20 МГц. Такие частоты содержат импульсы, у которых фронт имеет длительность в пределах 5-20 нс, длительность импульса на полувысоте составляет порядка 50-500 нс и амплитуду 100...200 В. Направленность диссертационной работы на решение этой задачи определяет ее актуальность.
Целью диссертационной работы является исследование путей повышения эффективности контроля состояния обмоток трансформаторного оборудования на основе импульсного дефектографирования за счет сокращения длительности зондирующего импульса и его фронта, а также техническая реализация диагностического комплекса на основе полученных результатов.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
- разработать физическую и математическую модели обмоток трансформатора для исследования эффективности контроля состояния обмоток при различных параметрах зондирующего импульса;
- исследовать влияние параметров зондирующего импульса на эффективность контроля состояния обмоток на реальном высоковольтном трансформаторном оборудовании;
- исследовать состояние обмоток реального высоковольтного трансформатора при наличии дефектов различного типа методом амлитудно- частотных характеристик и методом наносекундных импульсов, и выполнить сравнительный анализ;
- исследовать возможность выполнять контроль состояния обмоток с помощью зондирующих импульсов наносекундного диапазона под рабочим напряжением;
- определить область оптимальных значений параметров зондирующего импульса, при которых контроль состояния обмоток реализуется с наибольшей эффективностью;
- разработать методику оценки результатов контроля состояния обмоток и программу для анализа результатов дефектографирования обмоток зондирующими импульсами наносекундной длительности;
- разработать диагностический комплекс для контроля состояния обмоток трансформаторов на основе результатов проведенных исследований;
- исследовать технологические возможности разработанного комплекса по выявлению дефектов высоковольтного трансформатора.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы следующие методы: методы активного целенаправленного эксперимента, выполненного как на физической модели трансформатора, так и на реальном трансформаторе, математическое моделирование исследуемых процессов с использованием теории электрических цепей. При обработке результатов экспериментов была использована специально разработанная программа сравнения сигналов-откликов и методы математической статистики.
Научная новизна основных положений и результаты работы:
- предложена имитационная математическая модель обмоток трансформатора, которая позволяет моделировать переходные процессы в обмотках с учетом емкостей между витками обмотки, между витками и корпусом трансформатора, между витками обмотки и витками обмоток соседних фаз, что делает возможным расчетным путем, сравнивая экспериментальную дефектограмму с расчетной, выявлять характер дефектов в обмотке.
- экспериментально доказано, что дефектографирование механического состояния обмоток трансформаторов зондирующими импульсами наносекундной длительности повышает чувствительность обнаружения смещения витков обмоток трансформаторов в радиальном и аксиальном направлениях по сравнению с методом амплитудно-частотного анализа; показано, что при этом требуемая чувствительность достигается при длительности импульса 60...500 нс с фронтом длительностью 15...20 нс.
- экспериментально доказана эффективность контроля механического состояния обмоток трансформаторов на ранней стадии развития отклонений от штатного зондирующими импульсами длительностью 60...500 нс с фронтом 15...20 нс для обнаружения дефектов обмотки (обрыв проводника обмотки, межвитковое замыкание отдельных витков, смещение витков в аксиальном и радиальном направлениях).
Личный вклад соискателя состоит в:
- проведение аналитического обзора литературных источников, связанных с темой диссертации;
- разработке экспериментальной физической модели трансформатора для проведения исследований по диагностике состояния обмоток трансформатора при имитации дефектов различного типа обмоток и разработке имитационной математической модели для проверки эффективности диагностики импульсами расширенного спектрального состава вплоть до зондирующих импульсов наносекундной длительности;
- разработке схемы и создании генератора зондирующих импульсов наносекундного диапазона;
- разработке и успешной апробации специальной программы для сравнения результатов дефектографирования обмоток;
- проведении экспериментов, как на модели, так и на реальном высоковольтном трансформаторе, в анализе полученных результатов и их сравнении с экспериментальными данными, приведенными в литературных источниках.
Практическая значимость результатов работы:
- показана возможность диагностирования обмоток трансформатора наносекундными импульсами под рабочим напряжением посредством подключения генератора зондирующих импульсов через разделительный конденсатор;
- разработан диагностический комплекс для контроля состояния обмоток высоковольтных трансформаторов, который может применяться в электроэнергетических системах; диагностический комплекс включает в себя импульсный генератор со ступенчатым регулированием длительности зондирующего импульса в диапазоне 60...500 нс с фронтом 15 нс и специальную программу для анализа сигналов отклика, основанную на сравнении сигналов, зарегистрированных при различных диагностических процедурах.
- полученные результаты используются производственными предприятиями
ОАО «ТНХК», ОАО «ТЭЦ-3», ООО «Электрические системы» (г. Томск) при диагностике силовых трансформаторов и автотрансформаторов и в АО «Тюменьэнерго» (г. Сургут) для контроля состояния обмоток
трансформаторов в электрических сетях (г. Нягань), а так же в Инженерной школе энергетики Томского политехнического университета при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению
«Электроэнергетика и электротехника».
Достоверность результатов работы была подтверждена путем применения современных средств физического и математического моделирования, подтверждённых экспериментальными результатами, полученными по апробированным и признанным методам на реальных трансформаторах.
Апробация работы и публикации. Результаты работы, предлагаемые объяснения, выводы и вынесенные на защиту положения обсуждались на открытых семинарах кафедры электроэнергетических систем ТПУ (20152017 гг.) и докладывались на следующих конференциях:
- Международной конференции Mechanical Engineering, Automation and Control Systems: Proceedings of International Conference, Tomsk, October 16-18, 2014;
- XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15-19 Апреля 2013;
- 8th International Conference on “Technical and Physical Problems of Power Engineering” 5-7 September 2012 Ostfold University College Fredrikstad, Norway;
- 5 Международном Молодежном Форуме «Интеллектуальные Энергосистемы», Томск, 9-13 октября 2017;
- 14 Международном Форуме по стратегическим технологиям IFOST, Томск, 14-17 октября 2019.
Результаты работы связаны с НИР каф. ЭЭС ТПУ по договору с ОАО «Тюменьэнерго» "Разработка программно-аппаратного комплекса диагностики активных частей трансформатора" и были использованы для написания отчета по данной работе.
Основные результаты проведенной работы по теме диссертации отражены в печатных изданиях, опубликовано 25 работ, из них: 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 - в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus.
Положения, выносимые на защиту:
- доказано, что переход от грозового зондирующего импульса к прямоугольному наносекундному при диагностике обмоток трансформатора методом зондирования низковольтными импульсами повышает чувствительность диагностики и позволяет выявлять межвитковые замыкания - 2 соседних витка в дефекте и механические смещения на уровне 2 мм.
- экспериментально установлено, что оптимальными параметрами зондирующих импульсов для контроля состояния обмотки предложенным методом, являются: амплитуда импульса 200 В, длительность импульса 500 - 100 нс, длительность фронта 15 - 20 нс.
- экспериментально доказано, что технология импульсного дефектографирования с использованием зондирующих импульсов с указанными параметрами обеспечивает повышенную чувствительность в сравнении с широко используемым методом амплитудно-частотных характеристик.
- создан диагностический комплекс для контроля состояния обмоток трансформаторного оборудования, реализованный на основе генератора зондирующих импульсов по схеме Введенского Ю.В, позволяющий на нагрузке с произвольным импедансом формировать импульс длительностью 60...500 нс с фронтом порядка 25 нс, и снабженного специальной разработанной программой для сопоставления форм импульсов отклика.
Структура и объем диссертации. В диссертации содержатся введение, четыре главы, заключение, два приложения, и список использованных литературных источников (всего 127 наименование). Основная часть диссертации содержит 135 страниц, с 82 рисунками и 6 таблицами.
Первая глава посвящена анализу причин возникновения дефектного состояния обмоток, витковой изоляции; рассмотрены факторы, воздействующие на трансформатор, которые приводят к появлению дефектов обмоток. Рассмотрены физические основы, достоинства и недостатки наиболее совершенных метода контроля состояния обмоток: метода НВИ (Импульсное дефектографирование) и МЧА (FRA-technology). Установлено отсутствие эффективной и достоверной технологии контроля механического состояния обмоток, позволяющей выявлять дефекты на ранних стадиях развития.
Вторая глава посвящена разработке физической и математической моделей трансформатора для проведения экспериментов по диагностике методом НВИ. Проведенные эксперименты на физической модели трансформатора позволили установить, что уменьшение фронта и длительности зондирующего импульса приводят к повышению чувствительности метода НВИ. Эксперименты, выполненные на физической модели силового трансформатора, показали, что предложенный метод обладает необходимой чувствительностью к незначительным изменениям емкостных элементов в области обмотки трансформатора. Чувствительность метода НВИ существенно повышается по мере уменьшения длительности зондирующего импульса и роста крутизны его фронта.
Третья глава посвящена разработке прообраза технологического диагностического комплекса - макета для контроля состояния обмоток. Сформулированы требования к зондирующему импульсу и генератору для его получения. Выбрана схема Введенского Ю.В., позволяющая получать зондирующий импульс на входе в обмотку без отраженной волны с необходимой стабильностью воспроизведения параметров зондирующего сигнала. На основе результатов исследования работы ряда коммутирующих разрядников (газовые разрядники, герконы, ртутные реле, транзисторные ключи) и других элементов генератора разработана его конструкция.
Четвертая глава посвящена описанию и анализу результатов исследований эффективности разработанного макета технологического диагностического комплекса. Чувствительность и достоверность отклонения положения витков обмоток трансформатора от штатного и эффективность методов НВИ и FRA проверены в условиях конкретной энергосистемы на реальном трансформаторе. Экспериментально установлено, что метод FRA и метод наносекундных импульсов примерно с одинаковой чувствительностью реагируют на межвитковые замыкания в высоковольтной обмотке трансформатора, но зондированием наносекундными импульсами удается обнаруживать смещение 14 витков высоковольтной обмотки, чего не позволяет метод FRA.
В заключении сделан обобщающий вывод по всей проведённой работе и показано, что разработанные задачи выполнены, а поставленная цель достигнута.
Существует ряд физических методов и технических средств контроля состояния трансформаторов, основу которых составляют физико-химическая диагностика, акустический контроль, измерения на постоянном токе сопротивления изоляции обмоток, измерение тангенса угла диэлектрических потерь, тепловизионный контроль, а также ряд методов электрического контроля. Общим недостатком этих методов является возможность выявлять с их помощью лишь определенные виды дефектов. В настоящее время отсутствует метод, позволяющий определять повреждения и отклонения от норм механического состояния всех узлов трансформатора. Эффективным методом решения данной проблемы является контроль механического состояния обмоток трансформатора при помощи низковольтных импульсов, получивший название метод НВИ. Суть данного метода заключается в подаче на один из выводов трансформатора импульса напряжения амплитудой 100...500 В, который не представляет опасности для изоляции обмоток трансформатора, снятии сигнала-отклика с обмоток других фаз и в их анализе [2-5]. В основе метода НВИ по выявлению дефектной обмотки лежит сравнение сигналов-откликов, полученных на заведомо исправном трансформаторе, с результатами последующих профилактических испытаний. Метод НВИ был предложен в 1966 г. в Институте электротехники (г. Варшава, Польша) В. Лехом и Л. Тымински [6], и сразу получил признание ведущих мировых центров по разработке и внедрению новых технологий контроля состояния трансформаторного оборудования [712]. В дальнейшем, в 1970 - 1990 г.г., метод НВИ интенсивно развивался в СССР во Всероссийском Электротехническом Институте им. Ленина (ВЭИ) и получил название «импульсное дефектографирование». В ходе выполнения исследовательских и опытно-конструкторских работ, были получены результаты, позволившие с полным основанием считать технологию импульсного дефектографирования самым совершенным, на тот момент, способом контроля состояния обмоток трансформаторного оборудования. У истоков создания этой технологии диагностики обмоток трансформаторов стояли Г.В. Аветиков, А.А. Дробышевский, Е.А. Попов, Е.И. Левицкая и др. [1, 2, 14, 15]. Процесс контроля осуществляется на основе принципа последовательного дефектографирования обмоток и сравнения результатов текущих и предыдущих измерений, т.е. представляет собой сравнение нормограммы, полученной на заводе-изготовителе или на заведомо исправном трансформаторе, и дефектограммы, полученной в результате текущего зондирования. Это позволяет оценивать состояние трансформатора.
Физическая основа метода НВИ и импульсного дефектографирования (ИД) заключается в следующем. Относительно незначительные изменения геометрии обмоток в виде сдвигов, выпучивания и т.п. приводят к существенному изменению межвитковых и межкатушечных емкостей, емкостей обмотки относительно магнитопровода и относительно бака. Изменение геометрии обмоток приводит к изменениям индуктивности отдельных деформированных витков обмотки по отношению к первоначальной. В совокупности любые изменения емкостей и индуктивностей витков обмотки меняют собственные частотные характеристики деформированных участков обмотки по сравнению с штатным расположением витков обмотки, что отражается на изменении амплитудно-частотной характеристике всей обмотки по сравнению со штатной или к изменению формы импульса-отклика при приложении к обмотке квазипрямоугольного импульса. На этих принципиальных изменениях частотных характеристик обмотки и основан метод НВИ по определению механического состояния обмоток, который обладает, как показывают эксперименты и моделирование на цифровых моделях, более высокой чувствительностью по сравнению с методом измерения сопротивления КЗ. У метода НВИ, как у всякого метода, есть недостаток, который выражается в необходимости строго соблюдать схему измерения и подключения зондирующего генератора при всех предыдущих и последующих измерениях, т.к. этот метод, обладая высокой чувствительностью, реагирует на любые паразитные емкости и индуктивности как в цепи зондирующего генератора, так и в измерительной цепи, в которой регистрируются сигналы-отклики. Другая проблема, которая связана с методом НВИ, заключается в отсутствие нормограмм для трансформаторов, которые до этого не проходили диагностику данным методом. Развитие этого метода и включение его в нормативные документы для трансформаторов позволит существенно снизить указанные недостатки, а эксплуатация будет получать новые трансформаторы с нормограммами по методу НВИ, что существенно упростит процедуру диагностики и контроля механического состояния обмоток как новых трансформаторов, так и трансформаторов длительно находящихся в эксплуатации. Для проведения диагностики методом НВИ и обработки получаемых результатов требуются должным образом подготовленные специалисты, получившие специальное электротехническое образование и прошедшие подготовку [10, 15]. Метод НВИ интенсивно внедрялся на трансформаторных заводах (г.г. Тольятти и Запорожье) и электроэнергетических системах СССР. Существенный вклад в развитие и внедрение ИД внесли работы А.Ю. Хренникова c сотрудниками по дефектографированию силовых трансформаторов Самараэнерго [3, 5, 713]. На основе результатов этих работ планировалось включить импульсное дефектографирование в список обязательных профилактических мероприятий при обследовании трансформаторов [12-15].
Не смотря на продемонстрированные технологические достоинства импульсного дефектографирования и признание его как наиболее точного и совершенного (80-е годы прошлого века), оно не получило продолжения и прекратило развитие в начале 1990-х годов по ряду технических, организационных и экономических причин. Метод НВИ после ряда научных исследований был усовершенствован и реализован в виде метода анализа частотных характеристик, известный ныне как технология FRA или метод частотного анализа (МЧА) [16-32]. МЧА является результатом совершенствования метода НВИ и состоит в подаче на одну из обмоток сигнала напряжения с амплитудой на уровне 10 В плавно изменяющегося по частоте в диапазоне от 1 Гц до 2 МГц. При этом на одной из соседних обмоток регистрируется сигнал переходного процесса в амлитудно- частотной зависимости. Сравнение сигналов АЧХ при периодических обследованиях составляет суть метода МЧА. Метод предложен в Канаде в 1978 г. и с этого момента исследование технологии МЧА ведется интенсивными темпами в ведущих лабораториях мира и к настоящему времени получены значительные результаты [32-45]. В РФ работы, в области совершенствования метода МЧА, проводятся в ВЭИ [46, 47]. На сегодняшний день специальная рабочая группа международной комиссии СИГРЭ, обобщив накопленный международный опыт, предлагает для диагностики механического состояния обмоток трансформатора использовать метод амплитудно-частотного анализа [48]. Последующей нормативной базой в этой области будет стандарт МЭК, который, как предполагается, склоняется к методу частотного анализа. Рабочая группа МЭК предполагает разработать измерительные схемы, требования к измерительной аппаратуре, требования к квалификации технического персонала, методы учета факторов, воздействующих на результаты измерений, привести конкретные примеры диагностики разного вида повреждений трансформаторов [49-51].
Оба метода - и НВИ, и FRA имеют предел чувствительности, определяемый частотными параметрами импульса, используемого для диагностики для метода НВИ и частотным диапазоном подаваемого синусоидального сигнала для метода FRA. В настоящее время не накоплен необходимый экспериментальный материал по интерпретации результатов по обоим методам и не созданы базы данных нормограмм для большинства эксплуатируемых трансформаторов, поэтому выводы по результатам
диагностики обоими методами не дают объективной картины по состоянию трансформатора и приводят к ошибочным заключениям о состоянии активной части трансформатора [52, 55]. Основным путем исключения
ошибочных выводов и повышения разрешающей способности к разным отклонениям геометрии обмоток трансформатора он штатной является расширение спектра частот зондирующих сигналов в сторону высоких частот. Известно, что нормируемый грозовой импульс 1,2/50 мкс, в своем спектре содержит верхнюю частоту 500 кГц, а при диагностике методом FRA верхний диапазон частот доходит до 2 МГц.
Метод частотного анализа не находит широкого внедрения в электроэнергетических системах РФ, не смотря на ряд его очевидных достоинств, затруднено проблемами технического и организационного плана. Отсутствие нормограмм практически для всех типов трансформаторов, и недостаточная квалификация испытателей приводят к периодическим ошибкам в постановке диагноза, что в службах эксплуатации формирует мнение, что эти методы не являются совершенной технологией контроля состояния обмоток [52-57].
Вместе с тем, анализ литературных источников и впечатляющие результаты, которые были получены квалифицированными специалистами при внедрении технологии импульсного дефектографирования в электроэнергетических системах РФ, позволяют считать его не заслуженно забытым [10-13]. Неточности и погрешности при сравнении осциллограмм, недостаточное качество и отсутствие возможности записи результатов осциллографирования в цифровом формате, сложность, а иногда и невозможность точного воспроизведения схемы измерения, отсутствие нормограмм и ряд других проблем в сочетании с организационными и финансовыми трудностями 90-х годов прошлого века, привели к практическому прекращению использования технологии ИД в энергосистемах России. Наши исследования доказывают, что одним из возможных путей повышения чувствительности при использовании импульсного метода зондирования обмоток силовых трансформаторов, является расширение частотного спектра зондирующего импульса в сторону высоких частот вплоть до 20 МГц. Такие частоты содержат импульсы, у которых фронт имеет длительность в пределах 5-20 нс, длительность импульса на полувысоте составляет порядка 50-500 нс и амплитуду 100...200 В. Направленность диссертационной работы на решение этой задачи определяет ее актуальность.
Целью диссертационной работы является исследование путей повышения эффективности контроля состояния обмоток трансформаторного оборудования на основе импульсного дефектографирования за счет сокращения длительности зондирующего импульса и его фронта, а также техническая реализация диагностического комплекса на основе полученных результатов.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
- разработать физическую и математическую модели обмоток трансформатора для исследования эффективности контроля состояния обмоток при различных параметрах зондирующего импульса;
- исследовать влияние параметров зондирующего импульса на эффективность контроля состояния обмоток на реальном высоковольтном трансформаторном оборудовании;
- исследовать состояние обмоток реального высоковольтного трансформатора при наличии дефектов различного типа методом амлитудно- частотных характеристик и методом наносекундных импульсов, и выполнить сравнительный анализ;
- исследовать возможность выполнять контроль состояния обмоток с помощью зондирующих импульсов наносекундного диапазона под рабочим напряжением;
- определить область оптимальных значений параметров зондирующего импульса, при которых контроль состояния обмоток реализуется с наибольшей эффективностью;
- разработать методику оценки результатов контроля состояния обмоток и программу для анализа результатов дефектографирования обмоток зондирующими импульсами наносекундной длительности;
- разработать диагностический комплекс для контроля состояния обмоток трансформаторов на основе результатов проведенных исследований;
- исследовать технологические возможности разработанного комплекса по выявлению дефектов высоковольтного трансформатора.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы следующие методы: методы активного целенаправленного эксперимента, выполненного как на физической модели трансформатора, так и на реальном трансформаторе, математическое моделирование исследуемых процессов с использованием теории электрических цепей. При обработке результатов экспериментов была использована специально разработанная программа сравнения сигналов-откликов и методы математической статистики.
Научная новизна основных положений и результаты работы:
- предложена имитационная математическая модель обмоток трансформатора, которая позволяет моделировать переходные процессы в обмотках с учетом емкостей между витками обмотки, между витками и корпусом трансформатора, между витками обмотки и витками обмоток соседних фаз, что делает возможным расчетным путем, сравнивая экспериментальную дефектограмму с расчетной, выявлять характер дефектов в обмотке.
- экспериментально доказано, что дефектографирование механического состояния обмоток трансформаторов зондирующими импульсами наносекундной длительности повышает чувствительность обнаружения смещения витков обмоток трансформаторов в радиальном и аксиальном направлениях по сравнению с методом амплитудно-частотного анализа; показано, что при этом требуемая чувствительность достигается при длительности импульса 60...500 нс с фронтом длительностью 15...20 нс.
- экспериментально доказана эффективность контроля механического состояния обмоток трансформаторов на ранней стадии развития отклонений от штатного зондирующими импульсами длительностью 60...500 нс с фронтом 15...20 нс для обнаружения дефектов обмотки (обрыв проводника обмотки, межвитковое замыкание отдельных витков, смещение витков в аксиальном и радиальном направлениях).
Личный вклад соискателя состоит в:
- проведение аналитического обзора литературных источников, связанных с темой диссертации;
- разработке экспериментальной физической модели трансформатора для проведения исследований по диагностике состояния обмоток трансформатора при имитации дефектов различного типа обмоток и разработке имитационной математической модели для проверки эффективности диагностики импульсами расширенного спектрального состава вплоть до зондирующих импульсов наносекундной длительности;
- разработке схемы и создании генератора зондирующих импульсов наносекундного диапазона;
- разработке и успешной апробации специальной программы для сравнения результатов дефектографирования обмоток;
- проведении экспериментов, как на модели, так и на реальном высоковольтном трансформаторе, в анализе полученных результатов и их сравнении с экспериментальными данными, приведенными в литературных источниках.
Практическая значимость результатов работы:
- показана возможность диагностирования обмоток трансформатора наносекундными импульсами под рабочим напряжением посредством подключения генератора зондирующих импульсов через разделительный конденсатор;
- разработан диагностический комплекс для контроля состояния обмоток высоковольтных трансформаторов, который может применяться в электроэнергетических системах; диагностический комплекс включает в себя импульсный генератор со ступенчатым регулированием длительности зондирующего импульса в диапазоне 60...500 нс с фронтом 15 нс и специальную программу для анализа сигналов отклика, основанную на сравнении сигналов, зарегистрированных при различных диагностических процедурах.
- полученные результаты используются производственными предприятиями
ОАО «ТНХК», ОАО «ТЭЦ-3», ООО «Электрические системы» (г. Томск) при диагностике силовых трансформаторов и автотрансформаторов и в АО «Тюменьэнерго» (г. Сургут) для контроля состояния обмоток
трансформаторов в электрических сетях (г. Нягань), а так же в Инженерной школе энергетики Томского политехнического университета при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению
«Электроэнергетика и электротехника».
Достоверность результатов работы была подтверждена путем применения современных средств физического и математического моделирования, подтверждённых экспериментальными результатами, полученными по апробированным и признанным методам на реальных трансформаторах.
Апробация работы и публикации. Результаты работы, предлагаемые объяснения, выводы и вынесенные на защиту положения обсуждались на открытых семинарах кафедры электроэнергетических систем ТПУ (20152017 гг.) и докладывались на следующих конференциях:
- Международной конференции Mechanical Engineering, Automation and Control Systems: Proceedings of International Conference, Tomsk, October 16-18, 2014;
- XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15-19 Апреля 2013;
- 8th International Conference on “Technical and Physical Problems of Power Engineering” 5-7 September 2012 Ostfold University College Fredrikstad, Norway;
- 5 Международном Молодежном Форуме «Интеллектуальные Энергосистемы», Томск, 9-13 октября 2017;
- 14 Международном Форуме по стратегическим технологиям IFOST, Томск, 14-17 октября 2019.
Результаты работы связаны с НИР каф. ЭЭС ТПУ по договору с ОАО «Тюменьэнерго» "Разработка программно-аппаратного комплекса диагностики активных частей трансформатора" и были использованы для написания отчета по данной работе.
Основные результаты проведенной работы по теме диссертации отражены в печатных изданиях, опубликовано 25 работ, из них: 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 - в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus.
Положения, выносимые на защиту:
- доказано, что переход от грозового зондирующего импульса к прямоугольному наносекундному при диагностике обмоток трансформатора методом зондирования низковольтными импульсами повышает чувствительность диагностики и позволяет выявлять межвитковые замыкания - 2 соседних витка в дефекте и механические смещения на уровне 2 мм.
- экспериментально установлено, что оптимальными параметрами зондирующих импульсов для контроля состояния обмотки предложенным методом, являются: амплитуда импульса 200 В, длительность импульса 500 - 100 нс, длительность фронта 15 - 20 нс.
- экспериментально доказано, что технология импульсного дефектографирования с использованием зондирующих импульсов с указанными параметрами обеспечивает повышенную чувствительность в сравнении с широко используемым методом амплитудно-частотных характеристик.
- создан диагностический комплекс для контроля состояния обмоток трансформаторного оборудования, реализованный на основе генератора зондирующих импульсов по схеме Введенского Ю.В, позволяющий на нагрузке с произвольным импедансом формировать импульс длительностью 60...500 нс с фронтом порядка 25 нс, и снабженного специальной разработанной программой для сопоставления форм импульсов отклика.
Структура и объем диссертации. В диссертации содержатся введение, четыре главы, заключение, два приложения, и список использованных литературных источников (всего 127 наименование). Основная часть диссертации содержит 135 страниц, с 82 рисунками и 6 таблицами.
Первая глава посвящена анализу причин возникновения дефектного состояния обмоток, витковой изоляции; рассмотрены факторы, воздействующие на трансформатор, которые приводят к появлению дефектов обмоток. Рассмотрены физические основы, достоинства и недостатки наиболее совершенных метода контроля состояния обмоток: метода НВИ (Импульсное дефектографирование) и МЧА (FRA-technology). Установлено отсутствие эффективной и достоверной технологии контроля механического состояния обмоток, позволяющей выявлять дефекты на ранних стадиях развития.
Вторая глава посвящена разработке физической и математической моделей трансформатора для проведения экспериментов по диагностике методом НВИ. Проведенные эксперименты на физической модели трансформатора позволили установить, что уменьшение фронта и длительности зондирующего импульса приводят к повышению чувствительности метода НВИ. Эксперименты, выполненные на физической модели силового трансформатора, показали, что предложенный метод обладает необходимой чувствительностью к незначительным изменениям емкостных элементов в области обмотки трансформатора. Чувствительность метода НВИ существенно повышается по мере уменьшения длительности зондирующего импульса и роста крутизны его фронта.
Третья глава посвящена разработке прообраза технологического диагностического комплекса - макета для контроля состояния обмоток. Сформулированы требования к зондирующему импульсу и генератору для его получения. Выбрана схема Введенского Ю.В., позволяющая получать зондирующий импульс на входе в обмотку без отраженной волны с необходимой стабильностью воспроизведения параметров зондирующего сигнала. На основе результатов исследования работы ряда коммутирующих разрядников (газовые разрядники, герконы, ртутные реле, транзисторные ключи) и других элементов генератора разработана его конструкция.
Четвертая глава посвящена описанию и анализу результатов исследований эффективности разработанного макета технологического диагностического комплекса. Чувствительность и достоверность отклонения положения витков обмоток трансформатора от штатного и эффективность методов НВИ и FRA проверены в условиях конкретной энергосистемы на реальном трансформаторе. Экспериментально установлено, что метод FRA и метод наносекундных импульсов примерно с одинаковой чувствительностью реагируют на межвитковые замыкания в высоковольтной обмотке трансформатора, но зондированием наносекундными импульсами удается обнаруживать смещение 14 витков высоковольтной обмотки, чего не позволяет метод FRA.
В заключении сделан обобщающий вывод по всей проведённой работе и показано, что разработанные задачи выполнены, а поставленная цель достигнута.
1. В ходе экспериментов по исследованию процесса контроля состояния обмоток методом НВИ установлено, что чувствительность диагностической процедуры существенно повышается по мере уменьшения длительности зондирующего импульса и увеличения крутизны его фронта.
2. Разработанная имитационная математическая модель обмоток трансформатора позволяет моделировать переходные процессы в обмотках с учетом емкостей между витками обмотки, между витками и корпусом трансформатора, между витками обмотки и витками обмоток соседних фаз, что, в свою очередь, позволяет расчетным путем выявлять характер зародившихся в обмотке дефектов. Для этого необходимо экспериментальную дефектограмму сравнивать с расчетной.
3. Разработана специальная “Программа цифровой обработки данных”, позволяющая численно сравнивать отклик нормограммы и отклик дефектограммы. Это дает возможность в случае диагностики механического состояния обмоток трансформатора оценить степень отклонения дефектограммы от нормограммы не визуально, как это делалось в предыдущих работах, а численно, и при установлении критерия по значению этого отклонения принимать решение о целесообразности вывода трансформатора в ремонт.
4. Разработан диагностический комплекс для контроля состояния обмоток трансформаторов, реализованный на основе генератора зондирующих импульсов по схеме Введенского Ю.В., который позволяет формировать импульс длительностью в диапазоне 60 - 500 нс с фронтом 25 нс на нагрузке с произвольным импедансом. Диагностический комплекс снабжен специальной разработанной программой для количественного сравнения импульсов отклика.
5. Экспериментально доказано, что технология импульсного дефектографирования механического состояния обмоток трансформаторов зондирующими импульсами наносекундной длительности обладает более высокой чувствительностью к обнаружению смещений обмоток трансформаторов в радиальном и аксиальном направлениях по сравнению с методом частотного анализа (метода FRA).
6. Показано, что при импульсном методе дефектографирования состояния обмоток трансформатора для обнаружения смещения витков обмотки и короткого замыкания витков высокая чувствительность достигается при длительности импульса 60 - 500 нс с фронтом 15 - 20 нс.
7. Полученные при выполнении работы результаты используются ОАО «Тюменьэнерго», ТЭЦ-3, ТНХК.
8. Установлена возможность выполнять контроль состояния обмоток с помощью зондирующих импульсов наносекундного диапазона с крутым фронтом под рабочим напряжением.
9. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника» (в лекционных курсах и при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Изоляция электротехнического оборудования высокого напряжения» и «Диагностика изоляции») в Инженерной Школе Энергетики Томского Политехнического Университета.
2. Разработанная имитационная математическая модель обмоток трансформатора позволяет моделировать переходные процессы в обмотках с учетом емкостей между витками обмотки, между витками и корпусом трансформатора, между витками обмотки и витками обмоток соседних фаз, что, в свою очередь, позволяет расчетным путем выявлять характер зародившихся в обмотке дефектов. Для этого необходимо экспериментальную дефектограмму сравнивать с расчетной.
3. Разработана специальная “Программа цифровой обработки данных”, позволяющая численно сравнивать отклик нормограммы и отклик дефектограммы. Это дает возможность в случае диагностики механического состояния обмоток трансформатора оценить степень отклонения дефектограммы от нормограммы не визуально, как это делалось в предыдущих работах, а численно, и при установлении критерия по значению этого отклонения принимать решение о целесообразности вывода трансформатора в ремонт.
4. Разработан диагностический комплекс для контроля состояния обмоток трансформаторов, реализованный на основе генератора зондирующих импульсов по схеме Введенского Ю.В., который позволяет формировать импульс длительностью в диапазоне 60 - 500 нс с фронтом 25 нс на нагрузке с произвольным импедансом. Диагностический комплекс снабжен специальной разработанной программой для количественного сравнения импульсов отклика.
5. Экспериментально доказано, что технология импульсного дефектографирования механического состояния обмоток трансформаторов зондирующими импульсами наносекундной длительности обладает более высокой чувствительностью к обнаружению смещений обмоток трансформаторов в радиальном и аксиальном направлениях по сравнению с методом частотного анализа (метода FRA).
6. Показано, что при импульсном методе дефектографирования состояния обмоток трансформатора для обнаружения смещения витков обмотки и короткого замыкания витков высокая чувствительность достигается при длительности импульса 60 - 500 нс с фронтом 15 - 20 нс.
7. Полученные при выполнении работы результаты используются ОАО «Тюменьэнерго», ТЭЦ-3, ТНХК.
8. Установлена возможность выполнять контроль состояния обмоток с помощью зондирующих импульсов наносекундного диапазона с крутым фронтом под рабочим напряжением.
9. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника» (в лекционных курсах и при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Изоляция электротехнического оборудования высокого напряжения» и «Диагностика изоляции») в Инженерной Школе Энергетики Томского Политехнического Университета.
