Помощь студентам в учебе
Диагностирование и мониторинг работы силовых трансформаторов напряжением 110/10 кВ с использованием метода частичных разрядов вибрационной диагностики
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. МЕТОДЫ
ВЫЯВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ 9
1.1 Характерные повреждения трансформаторов 9
1.2 Выявление повреждаемости трансформаторов 12
1.3 Методы выявления повреждений 12
1.3.1 Первичные методы диагностирования 13
1.3.2 Определение нагревов в трансформаторе 15
1.3.3 Тепловизионный контроль 16
1.3.4 Хроматографический анализ растворенных в масле газов
(ХАРГ) 17
1.3.5 Химический анализ 18
1.3.6 Вибрационная диагностика 20
1.3.7 Измерение частичных разрядов 21
1.3.8 Сравнение методов обследования состояния
трансформаторов 22
1.4 Понятие диагностирования и мониторинга 23
1.5 Актуальность применения мониторинга 23
Задачи исследования 24
2 МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ... 25
2.1 Вибрационное диагностирование трансформаторов 25
2.1.1 Причины возникновения вибраций в трансформаторах 25
2.1.2 Вибрации магнитной системы трансформатора 26
2.1.3 Вибрации обмоток 28
2.1.4 Вибрации бака трансформатора 30
2.1.5 Вибрационные характеристики 30
2.1.6 Измерение общего уровня вибраций на стенке бака
Трансформаторов 31
2.1.7 Частотный метод диагностики 32
2.1.8 Спектральный метод контроля 34
2.2 Частичные разряды 35
2.2.1 Причины возникновения разрядов в изоляции 35
2.2.2 Зависимость интенсивности и мощности разряда от
размеров газового включения 38
2.2.3 Частичные разряды в изоляции обмоток 39
2.2.4 Частичные разряды во вводах 40
2.2.5 Связь мест возникновения разрядов с их частотами 41
2.3 Современные системы мониторинга и диагностирования 43
2.3.1 Система контроля «Веста» компании «Dimrus» 43
2.3.2 Акустическая локация ЧР прибором «AR700»
компании «Dimrus» 45
2.3.3 Датчики регистрации токов проводимости и ЧР в
высоковольтных вводах DB-2 48
2.3.4 Системы мониторинга трансформаторов компании ABB 49
2.3.5 Система контроля SAFE-T 51
Выводы по разделу 2 53
3 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МЕТОДОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ И ВИБРОДИАГНОСТИКИ 54
3.1 Оснащение модульными системами диагностического мониторинга
TDM-M трансформаторов ПС «Масалитинская» 54
3.2 Предлагаемые системы мониторинга, построенные на основе
анализа частичных разрядов 61
3.3 Предлагаемые системы мониторинга и диагностирования,
построенные на основе анализа вибрационных характеристик 65
Выводы по разделу 3 67
4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ
СИСТЕМ МОНИТОРИНГА 69
4.1 Опыт Челябэнерго по внедрению систем мониторинга 69
4.2 Расчет экономической эффективности установки систем мониторинга
на трансформатор 110/10 кВ мощностью 40 МВ-А 76
Выводы по разделу 4 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 82
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. МЕТОДЫ
ВЫЯВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ 9
1.1 Характерные повреждения трансформаторов 9
1.2 Выявление повреждаемости трансформаторов 12
1.3 Методы выявления повреждений 12
1.3.1 Первичные методы диагностирования 13
1.3.2 Определение нагревов в трансформаторе 15
1.3.3 Тепловизионный контроль 16
1.3.4 Хроматографический анализ растворенных в масле газов
(ХАРГ) 17
1.3.5 Химический анализ 18
1.3.6 Вибрационная диагностика 20
1.3.7 Измерение частичных разрядов 21
1.3.8 Сравнение методов обследования состояния
трансформаторов 22
1.4 Понятие диагностирования и мониторинга 23
1.5 Актуальность применения мониторинга 23
Задачи исследования 24
2 МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ... 25
2.1 Вибрационное диагностирование трансформаторов 25
2.1.1 Причины возникновения вибраций в трансформаторах 25
2.1.2 Вибрации магнитной системы трансформатора 26
2.1.3 Вибрации обмоток 28
2.1.4 Вибрации бака трансформатора 30
2.1.5 Вибрационные характеристики 30
2.1.6 Измерение общего уровня вибраций на стенке бака
Трансформаторов 31
2.1.7 Частотный метод диагностики 32
2.1.8 Спектральный метод контроля 34
2.2 Частичные разряды 35
2.2.1 Причины возникновения разрядов в изоляции 35
2.2.2 Зависимость интенсивности и мощности разряда от
размеров газового включения 38
2.2.3 Частичные разряды в изоляции обмоток 39
2.2.4 Частичные разряды во вводах 40
2.2.5 Связь мест возникновения разрядов с их частотами 41
2.3 Современные системы мониторинга и диагностирования 43
2.3.1 Система контроля «Веста» компании «Dimrus» 43
2.3.2 Акустическая локация ЧР прибором «AR700»
компании «Dimrus» 45
2.3.3 Датчики регистрации токов проводимости и ЧР в
высоковольтных вводах DB-2 48
2.3.4 Системы мониторинга трансформаторов компании ABB 49
2.3.5 Система контроля SAFE-T 51
Выводы по разделу 2 53
3 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МЕТОДОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ И ВИБРОДИАГНОСТИКИ 54
3.1 Оснащение модульными системами диагностического мониторинга
TDM-M трансформаторов ПС «Масалитинская» 54
3.2 Предлагаемые системы мониторинга, построенные на основе
анализа частичных разрядов 61
3.3 Предлагаемые системы мониторинга и диагностирования,
построенные на основе анализа вибрационных характеристик 65
Выводы по разделу 3 67
4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ
СИСТЕМ МОНИТОРИНГА 69
4.1 Опыт Челябэнерго по внедрению систем мониторинга 69
4.2 Расчет экономической эффективности установки систем мониторинга
на трансформатор 110/10 кВ мощностью 40 МВ-А 76
Выводы по разделу 4 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 82
Актуальность работы. В процессе работы в системах электроснабжения (СЭС) электрооборудование подвергается многочисленным внешним и внутренним электромагнитным и другим эксплуатационным воздействиям, а также само непосредственно влияют на окружающие объекты и среду. Поэтому в настоящее время пристальное внимание уделяется созданию условий для нормальной безаварийной работы и эффективной работы электрооборудования СЭС. Аварийные повреждения, которые часто сопровождаются разрушением оборудования, а также предаварийные состояния приводят к нарушению электроснабжения, что является причиной большого экономического ущерба у потребителей. От существующего уровня надежности энергоснабжения электроприемников потребителя зависит количество брака на производстве, качество изготовленной продукции и, как следствие, конкурентоспособность компании в целом. Также, согласно ПУЭ [20], существуют потребители, перерыв в электроснабжении которых считается недопустимым, так как может повлечь за собой опасность угрозы жизни и здоровью людей. Поэтому необходимо уделять особое внимание обеспечению бесперебойного питания.
Существует множество методов диагностирования силовых трансформаторов, которые позволяют выявлять различные дефекты и поломки. Но диагностические обследования являются периодичными, поэтому не всегда позволяют выявлять повреждения на ранних стадиях их развития. В настоящее время системами непрерывного контроля (мониторинга), как правило, оснащаются трансформаторы больших напряжений и мощностей (свыше 100 МВ-А). А трансформаторы 10-63 МВ-А напряжением 110-220/10 кВ практически не снабжаются данными средствами. Поэтому актуальным направлением является адаптация для данных трансформаторов существующих средств мониторинга, которые используются на более мощном оборудовании.
Цель работы. Изучение дефектов, возникающих в силовых трансформаторах высоких классов напряжения; методов диагностирования и мониторинга; адаптация известных средств мониторинга для трансформаторов мощностью 10-63 МВ-А напряжением 110-220/10 кВ.
Задачи работы:
1 Анализ основных повреждений силовых трансформаторов.
2 Рассмотрение основных методов выявления повреждений в трансформаторах и современных средств мониторинга и диагностирования.
3 Адаптация известных средств мониторинга для трансформаторов мощностью 10-63 МВ-А напряжением 110-220/10 кВ.
4 Оценка технико-экономического эффекта от применения этих систем.
Объект исследования - силовые трансформаторы напряжением 110-220/10 кВ мощностью 10-63 МВ-А.
Предмет исследования - методы диагностирования и мониторинга силовых трансформаторов, выявление с их помощью повреждений на ранних стадиях развития, как средство предотвращения аварий. Особое внимание уделяется методам измерения частичных разрядов и системам вибрационного мониторинга трансформаторов. Они позволяют выявлять широкий спектр дефектов на ранних стадиях. Кроме того, их применение не влияет на работу системы, так как диагностирование проходит без отключения оборудования, поэтому не влияет на бесперебойность питания потребителей.
Диагностирование технического состояния электрооборудования может осуществляться как специальными приборами, которыми производятся прямые измерения электрических параметров контролируемых объектов традиционными методами, так и приборами для измерения косвенных характеристик электрооборудования, например, температуры поверхности, на бесконтактном измерении который основан тепловой неразрушающий контроль - тепловизионное диагностирование. Также при выборе методов контроля необходимо учитывать статистику повреждаемости силовых трансформаторов: частоту отказов, виды повреждений и узлы, в которых они возникают.
Практическая значимость. Автоматизированные методы диагностирования состояния силовых трансформаторов являются перспективным средством выявления и прогнозирования ресурса. Благодаря расширенному комплексу датчиков они охватывают все узлы и системы трансформатора, позволяя на ранней стадии зафиксировать начало негативных процессов. Применение автоматизированных методов диагностирования силовых трансформаторов позволит продлить ресурс силовых трансформаторов и поможет оперативному персоналу своевременно принимать решения на основе полноты получаемой информации.
Существует множество методов диагностирования силовых трансформаторов, которые позволяют выявлять различные дефекты и поломки. Но диагностические обследования являются периодичными, поэтому не всегда позволяют выявлять повреждения на ранних стадиях их развития. В настоящее время системами непрерывного контроля (мониторинга), как правило, оснащаются трансформаторы больших напряжений и мощностей (свыше 100 МВ-А). А трансформаторы 10-63 МВ-А напряжением 110-220/10 кВ практически не снабжаются данными средствами. Поэтому актуальным направлением является адаптация для данных трансформаторов существующих средств мониторинга, которые используются на более мощном оборудовании.
Цель работы. Изучение дефектов, возникающих в силовых трансформаторах высоких классов напряжения; методов диагностирования и мониторинга; адаптация известных средств мониторинга для трансформаторов мощностью 10-63 МВ-А напряжением 110-220/10 кВ.
Задачи работы:
1 Анализ основных повреждений силовых трансформаторов.
2 Рассмотрение основных методов выявления повреждений в трансформаторах и современных средств мониторинга и диагностирования.
3 Адаптация известных средств мониторинга для трансформаторов мощностью 10-63 МВ-А напряжением 110-220/10 кВ.
4 Оценка технико-экономического эффекта от применения этих систем.
Объект исследования - силовые трансформаторы напряжением 110-220/10 кВ мощностью 10-63 МВ-А.
Предмет исследования - методы диагностирования и мониторинга силовых трансформаторов, выявление с их помощью повреждений на ранних стадиях развития, как средство предотвращения аварий. Особое внимание уделяется методам измерения частичных разрядов и системам вибрационного мониторинга трансформаторов. Они позволяют выявлять широкий спектр дефектов на ранних стадиях. Кроме того, их применение не влияет на работу системы, так как диагностирование проходит без отключения оборудования, поэтому не влияет на бесперебойность питания потребителей.
Диагностирование технического состояния электрооборудования может осуществляться как специальными приборами, которыми производятся прямые измерения электрических параметров контролируемых объектов традиционными методами, так и приборами для измерения косвенных характеристик электрооборудования, например, температуры поверхности, на бесконтактном измерении который основан тепловой неразрушающий контроль - тепловизионное диагностирование. Также при выборе методов контроля необходимо учитывать статистику повреждаемости силовых трансформаторов: частоту отказов, виды повреждений и узлы, в которых они возникают.
Практическая значимость. Автоматизированные методы диагностирования состояния силовых трансформаторов являются перспективным средством выявления и прогнозирования ресурса. Благодаря расширенному комплексу датчиков они охватывают все узлы и системы трансформатора, позволяя на ранней стадии зафиксировать начало негативных процессов. Применение автоматизированных методов диагностирования силовых трансформаторов позволит продлить ресурс силовых трансформаторов и поможет оперативному персоналу своевременно принимать решения на основе полноты получаемой информации.
В работе проведен анализ существующих методов диагностирования и мониторинга силовых трансформаторов. Определен перечень дефектов и эффективность их выявления разными системами. Акцент сделан на методах вибродиагностики и частичных разрядов для выявления дефектов силовых трансформаторов напряжением 110/10 кВ мощностью до 63 МВ-А. Данные методы определяют наличие развивающихся повреждений на ранних стадиях их развития, что позволяет спланировать графики ремонтов и предотвратить аварийных отключения трансформаторов.
На основе этих исследований были освещены следующие вопросы для формирования выводов по работе:
1 Определены основные повреждения, которые наиболее часто являются причинами выхода трансформаторов из строя и ведут к значительным ущербам.
2 Приведено обоснование необходимости внедрения систем диагностического мониторинга для трансформаторов до 63 МВ-А класса напряжение 110 кВ.
3 Рассмотрены причины возникновения вибраций в силовых трансформаторах, с точки зрения протекания электромеханических процессов, ведущие к деформации обмоток и магнитопровода.
4 Приведены основные вибрационные характеристики, анализ которых позволяет выявить наличие развивающихся дефектов в трансформаторе, рассмотрены частотный и спектральный методы контроля этих характеристик.
5 Описаны механизмы возникновения частичных разрядов в изоляции трансформаторов. Приведены последствия развития частичных разрядов со временем, такие как межвитковые замыкания в обмотках или разрушение изоляции вводов, что без своевременного обнаружения ведет к авариям и отключениям трансформаторов.
6 Рассмотрены системы диагностирования и мониторинга высоковольтного трансформаторного оборудования, а также датчики контроля вибрационных характеристик и частичных разрядов, представленные на современном рынке, компаний АВВ, Dimrus, Энергоавтоматизация.
7 В качестве базовой принята система диагностического мониторинга TDM-M компании «Dimrus», установленная на трансформаторах 40 МВ-А 110/6/6 кВ ПС «Масалитинская» города Челябинска, описаны основные модули и датчики, входящие в нее. На основе данной системы, путем добавления дополнительных модулей и датчиков, предложены несколько вариантов адаптации системы мониторинга силовых трансформаторов напряжением 110 кВ мощностью до 63 МВ-А.
8 Проведен анализ исторического пути развития систем и методов выявления повреждений силовых трансформаторах в сетях Челябэнерго. Приведена статистика аварийных отключений трансформаторов 110 кВ, выявлены причины, в результате которых и возникают данные отключения.
9 Приведены данные по стоимости систем мониторинга, предлагаемой для установки на трансформаторы 110 кВ. Путем технико-экономического расчета определен эффект от внедрения данных систем. При сравнении стоимости установки систем диагностического мониторинга с затратами на капитальные ремонты и покупку нового оборудования, при выходе оборудования из строя в результате аварий, полученный срок окупаемости составляет 2 года. А экономический эффект в денежном эквиваленте, без учета ущербов от недоотпуска электроэнергии потребителю, составляет около 1 млн. руб. в год с одной двухтрансформаторной подстанции.
На основе этих исследований были освещены следующие вопросы для формирования выводов по работе:
1 Определены основные повреждения, которые наиболее часто являются причинами выхода трансформаторов из строя и ведут к значительным ущербам.
2 Приведено обоснование необходимости внедрения систем диагностического мониторинга для трансформаторов до 63 МВ-А класса напряжение 110 кВ.
3 Рассмотрены причины возникновения вибраций в силовых трансформаторах, с точки зрения протекания электромеханических процессов, ведущие к деформации обмоток и магнитопровода.
4 Приведены основные вибрационные характеристики, анализ которых позволяет выявить наличие развивающихся дефектов в трансформаторе, рассмотрены частотный и спектральный методы контроля этих характеристик.
5 Описаны механизмы возникновения частичных разрядов в изоляции трансформаторов. Приведены последствия развития частичных разрядов со временем, такие как межвитковые замыкания в обмотках или разрушение изоляции вводов, что без своевременного обнаружения ведет к авариям и отключениям трансформаторов.
6 Рассмотрены системы диагностирования и мониторинга высоковольтного трансформаторного оборудования, а также датчики контроля вибрационных характеристик и частичных разрядов, представленные на современном рынке, компаний АВВ, Dimrus, Энергоавтоматизация.
7 В качестве базовой принята система диагностического мониторинга TDM-M компании «Dimrus», установленная на трансформаторах 40 МВ-А 110/6/6 кВ ПС «Масалитинская» города Челябинска, описаны основные модули и датчики, входящие в нее. На основе данной системы, путем добавления дополнительных модулей и датчиков, предложены несколько вариантов адаптации системы мониторинга силовых трансформаторов напряжением 110 кВ мощностью до 63 МВ-А.
8 Проведен анализ исторического пути развития систем и методов выявления повреждений силовых трансформаторах в сетях Челябэнерго. Приведена статистика аварийных отключений трансформаторов 110 кВ, выявлены причины, в результате которых и возникают данные отключения.
9 Приведены данные по стоимости систем мониторинга, предлагаемой для установки на трансформаторы 110 кВ. Путем технико-экономического расчета определен эффект от внедрения данных систем. При сравнении стоимости установки систем диагностического мониторинга с затратами на капитальные ремонты и покупку нового оборудования, при выходе оборудования из строя в результате аварий, полученный срок окупаемости составляет 2 года. А экономический эффект в денежном эквиваленте, без учета ущербов от недоотпуска электроэнергии потребителю, составляет около 1 млн. руб. в год с одной двухтрансформаторной подстанции.
