Помощь студентам в учебе
Диагностика силовых масляных трансформаторов
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 7
1.1 Диагностика состояния трансформатора 7
1.1.1 Повреждения в трансформаторах, виды диагностики дефектов и повреждений 7
1.1.2. Работы по диагностике без прикосновения к работающему
трансформатору 8
1.1.З. Работы по диагностике с прикосновением к работающему трансформатору 10
Е 1.4. Диагностика, требующая отключения трансформатора 11
1.1.5. Работы по диагностике на выведенном в ремонт трансформаторе со вскрытием бака трансформатора (частичный разбор) 11
1.2. Методология диагностики 11
1.2.1. Общие концепции обслуживания трансформаторов 11
1.2.2. Оценка состояния трансформаторов по результатам
периодических испытаний 12
1.3. Диагностические характеристики 14
1.3.1. Диагностические характеристики, основанные на измерении
электромагнитных параметров трансформатора 14
1.3.2. Определение коэффициента трансформации 17
1.3.3. Измерение тока и потерь холостого хода 17
1.3.4. Измерение сопротивления короткого замыкания 18
1.3.5. Измерение сопротивления обмоток постоянному току 18
1.4. Характеристика изоляции 19
1.4.1. Обнаружение дефектов по характеристикам изоляции 19
1.4.2. Тангенс угла диэлектрических потерь и емкость изоляционного
промежутка 22
1.5. Вибрационное обследование 24
1.5.1. Проведение вибрационной диагностики 24
1.5.2. Определение параметров прессовки обмоток и магнитопровода
по вибрации на поверхности бака трансформатора 27
1.5.3. Измерение вибрации при изменении температуры
трансформатора 28
1.6. Тепловизионное обследование 30
1.6.1. Методы тепловизионного контроля 32
1.6.2. Особенности практического применения тепловизионного метода
диагностики 39
1.6.3. Классификация дефектов 40
1.7. Диагностика состояния вводов 41
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 45
2.1. Диагностическая модель оптимизации трансформатора с принудительной системой охлаждения, увеличивающая срок эксплуатации 45
2.1.1 Диагностика трансформаторного оборудования под рабочим напряжением
2.1.2. Автоматизированные работающего трансформатора
2.1.3. Определение оптимального жизненного цикла трансформатора
2.1.4. Модель оптимального управления системой охлаждения
трансформатора 49
2.1.5. Результаты работы модели 56
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ 58
3.1. Разработка модели информационного обмена в системе оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов 58
3.1.1. Проектная модель системы 58
Модель информационного обмена 60
Подсистема мониторинга 62
Подсистема проектирования математической модели
3.3. Модуль определения остаточного ресурса электродвигателей
системы охлаждения 74
3.4. Модуль оценки технико-экономических показателей оборудования 76
Выводы по третьей главе 82
Заключение 83
Библиографический список использованных источников 86
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 7
1.1 Диагностика состояния трансформатора 7
1.1.1 Повреждения в трансформаторах, виды диагностики дефектов и повреждений 7
1.1.2. Работы по диагностике без прикосновения к работающему
трансформатору 8
1.1.З. Работы по диагностике с прикосновением к работающему трансформатору 10
Е 1.4. Диагностика, требующая отключения трансформатора 11
1.1.5. Работы по диагностике на выведенном в ремонт трансформаторе со вскрытием бака трансформатора (частичный разбор) 11
1.2. Методология диагностики 11
1.2.1. Общие концепции обслуживания трансформаторов 11
1.2.2. Оценка состояния трансформаторов по результатам
периодических испытаний 12
1.3. Диагностические характеристики 14
1.3.1. Диагностические характеристики, основанные на измерении
электромагнитных параметров трансформатора 14
1.3.2. Определение коэффициента трансформации 17
1.3.3. Измерение тока и потерь холостого хода 17
1.3.4. Измерение сопротивления короткого замыкания 18
1.3.5. Измерение сопротивления обмоток постоянному току 18
1.4. Характеристика изоляции 19
1.4.1. Обнаружение дефектов по характеристикам изоляции 19
1.4.2. Тангенс угла диэлектрических потерь и емкость изоляционного
промежутка 22
1.5. Вибрационное обследование 24
1.5.1. Проведение вибрационной диагностики 24
1.5.2. Определение параметров прессовки обмоток и магнитопровода
по вибрации на поверхности бака трансформатора 27
1.5.3. Измерение вибрации при изменении температуры
трансформатора 28
1.6. Тепловизионное обследование 30
1.6.1. Методы тепловизионного контроля 32
1.6.2. Особенности практического применения тепловизионного метода
диагностики 39
1.6.3. Классификация дефектов 40
1.7. Диагностика состояния вводов 41
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 45
2.1. Диагностическая модель оптимизации трансформатора с принудительной системой охлаждения, увеличивающая срок эксплуатации 45
2.1.1 Диагностика трансформаторного оборудования под рабочим напряжением
2.1.2. Автоматизированные работающего трансформатора
2.1.3. Определение оптимального жизненного цикла трансформатора
2.1.4. Модель оптимального управления системой охлаждения
трансформатора 49
2.1.5. Результаты работы модели 56
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ 58
3.1. Разработка модели информационного обмена в системе оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов 58
3.1.1. Проектная модель системы 58
Модель информационного обмена 60
Подсистема мониторинга 62
Подсистема проектирования математической модели
3.3. Модуль определения остаточного ресурса электродвигателей
системы охлаждения 74
3.4. Модуль оценки технико-экономических показателей оборудования 76
Выводы по третьей главе 82
Заключение 83
Библиографический список использованных источников 86
Актуальность. Вопрос о целесообразности внедрения средств диагностирования технического состояния маслонаполненного электрооборудования и, в первую очередь, силовых трансформаторов, является актуальной и остро востребованной задачей. “Это обусловлено рядом объективно сложившихся причин, основной из которых является физический износ” [28] оборудования, достигающий в Российской энергетике 50-70%. В этих условиях актуальность диагностирования технического состояния электрооборудования обусловлена следующими причинами:
- необходимостью продления срока эксплуатации сверх нормативного, вплоть до выработки реального, заложенного изготовителем ресурса;
- необходимостью предотвращения аварий энергетических блоков, убытки от которых исчисляются миллионами рублей;
- общемировой тенденцией перехода от системы планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по состоянию.
“Контроль трансформатора непосредственно в рабочем режиме является быстропрогрессирующим направлением в обслуживании оборудования” [29]. Он позволяет выполнять традиционные испытания без отключения от сети, повысить эффективность контроля и диагностики, а также надежность эксплуатации.
Основные направления мониторинга:
1. “Контроль и управление нормальными режимами и подсистемами трансформатора и реактора, а именно: температурно-нагрузочный режим; напряжения обмоток и возбуждение магнитной системы; уровни масла; функциональная исправность и управление системой охлаждения; функциональная исправность и управление”[30] регулированием напряжения трансформатора (РПН).
2. Контроль и ограничение аномальных режимов, вызывающих повышенные, либо недопустимые воздействия на трансформатор.
3. “Контроль и диагностика технического состояния трансформатора” [31].
Объект исследования - силовой масляный трансформатор ТЦ- 400000/500.
Предмет исследования - процессы, происходящие в элементах силового трансформатора.
Цель работы - повышение надежности и экономичности эксплуатации силового трансформатора на протяжении жизненного цикла в условиях широкого диапазона изменения внешних факторов (температура окружающей среды -40 - +40 °C, ток нагрузки до 11,5 кА), что достигается путем использования модели управления системой охлаждения.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Выполнить обзор существующих методик диагностики трансформатора;
2. Выбрать перспективные направления совершенствования диагностики трансформатора;
3. Разработать систему мониторинга трансформатора для сбора статистической информации;
4. Разработать модель управления системой охлаждения силового трансформатора, построенную на основе системы мониторинга силовых трансформаторов и математического аппарата нейронных сетей;
5. Обучить нейросетевую модель по результатам мониторинга трансформатора для прогнозирования изменения внешних факторов.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы: теории электромеханических преобразователей энергии, теории тепловых цепей, средства программирования в среде математического процессора Matlab, а также теории нейронных сетей.
Научная новизна работы:
1. Разработка диагностической модели, позволяющей осуществить оптимальное управление системой охлаждения трансформатора, построенной на основе нейронных сетей, обучающихся по результатам мониторинга.
2. Разработка системы мониторинга трансформатора для сбора статистической информации.
Практическая значимость работы состоит в разработке модели и алгоритмов позволяющих производить оптимизацию режимов работы трансформатора.
Апробация работы. Результаты работы опубликованы в следующих работах: 1. Шакиров Ю.И., Ахметшин Р.С., Ю. П. Сюткина, Диагностика витковой изоляции трансформаторов I - II габаритов / Журнал «Вестник Науки и Творчества»: Материалы Международных мероприятий Общества Науки и Творчества (г. Казань) за февраль 2017 г., стр. 143-145 /Под общ. ред. С.В.Кузьмина. - Казань, 2017. 2. Шакиров Ю.И., Ахметшин Р.С., Ю. П. Сюткина, Защита силовых трансформаторов от перенапряжений/ Журнал «Вестник Науки и Творчества»: Материалы Международных мероприятий Общества Науки и Творчества (г. Казань) за март 2017 г., стр. 21-26 /Под общ. ред. С.В.Кузьмина. - Казань, 2017.
Публикации. Список научных трудов по диссертационной работе составляет 2 наименования.
Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 91 странице машинописного текста. Работа содержит 31 рисунок и 5 таблиц. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 41 наименование.
- необходимостью продления срока эксплуатации сверх нормативного, вплоть до выработки реального, заложенного изготовителем ресурса;
- необходимостью предотвращения аварий энергетических блоков, убытки от которых исчисляются миллионами рублей;
- общемировой тенденцией перехода от системы планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по состоянию.
“Контроль трансформатора непосредственно в рабочем режиме является быстропрогрессирующим направлением в обслуживании оборудования” [29]. Он позволяет выполнять традиционные испытания без отключения от сети, повысить эффективность контроля и диагностики, а также надежность эксплуатации.
Основные направления мониторинга:
1. “Контроль и управление нормальными режимами и подсистемами трансформатора и реактора, а именно: температурно-нагрузочный режим; напряжения обмоток и возбуждение магнитной системы; уровни масла; функциональная исправность и управление системой охлаждения; функциональная исправность и управление”[30] регулированием напряжения трансформатора (РПН).
2. Контроль и ограничение аномальных режимов, вызывающих повышенные, либо недопустимые воздействия на трансформатор.
3. “Контроль и диагностика технического состояния трансформатора” [31].
Объект исследования - силовой масляный трансформатор ТЦ- 400000/500.
Предмет исследования - процессы, происходящие в элементах силового трансформатора.
Цель работы - повышение надежности и экономичности эксплуатации силового трансформатора на протяжении жизненного цикла в условиях широкого диапазона изменения внешних факторов (температура окружающей среды -40 - +40 °C, ток нагрузки до 11,5 кА), что достигается путем использования модели управления системой охлаждения.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Выполнить обзор существующих методик диагностики трансформатора;
2. Выбрать перспективные направления совершенствования диагностики трансформатора;
3. Разработать систему мониторинга трансформатора для сбора статистической информации;
4. Разработать модель управления системой охлаждения силового трансформатора, построенную на основе системы мониторинга силовых трансформаторов и математического аппарата нейронных сетей;
5. Обучить нейросетевую модель по результатам мониторинга трансформатора для прогнозирования изменения внешних факторов.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы: теории электромеханических преобразователей энергии, теории тепловых цепей, средства программирования в среде математического процессора Matlab, а также теории нейронных сетей.
Научная новизна работы:
1. Разработка диагностической модели, позволяющей осуществить оптимальное управление системой охлаждения трансформатора, построенной на основе нейронных сетей, обучающихся по результатам мониторинга.
2. Разработка системы мониторинга трансформатора для сбора статистической информации.
Практическая значимость работы состоит в разработке модели и алгоритмов позволяющих производить оптимизацию режимов работы трансформатора.
Апробация работы. Результаты работы опубликованы в следующих работах: 1. Шакиров Ю.И., Ахметшин Р.С., Ю. П. Сюткина, Диагностика витковой изоляции трансформаторов I - II габаритов / Журнал «Вестник Науки и Творчества»: Материалы Международных мероприятий Общества Науки и Творчества (г. Казань) за февраль 2017 г., стр. 143-145 /Под общ. ред. С.В.Кузьмина. - Казань, 2017. 2. Шакиров Ю.И., Ахметшин Р.С., Ю. П. Сюткина, Защита силовых трансформаторов от перенапряжений/ Журнал «Вестник Науки и Творчества»: Материалы Международных мероприятий Общества Науки и Творчества (г. Казань) за март 2017 г., стр. 21-26 /Под общ. ред. С.В.Кузьмина. - Казань, 2017.
Публикации. Список научных трудов по диссертационной работе составляет 2 наименования.
Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 91 странице машинописного текста. Работа содержит 31 рисунок и 5 таблиц. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 41 наименование.
Решение задач, поставленных в начале работы, по повышению эффективности диагностики и эксплуатации трансформатора предполагает разработку программно-технических средств, позволяющих оценивать текущее состояние в режиме реального времени, выдавать необходимые рекомендации.
Традиционно теория САПР рассматривается со стороны производителя технических устройств. Потребитель, имеющий свои требования к ним, вынесен за пределы САПР. Поэтому в магистерской диссертации предложен альтернативный подход к созданию САПР, ориентированной на эксплуатирующую организацию. Здесь акцент делается на разработке подсистем функционального проектирования, которые способны решать задачи с произвольной формулировкой технического задания и могут быть использованы для детализации конструкции существующего устройства при недостаточной информации о нем.
Поставленные задачи решались с использованием методов теории САПР, теории электромеханических преобразователей энергии, теории тепловых цепей, теории нелинейного программирования, теории нейронных сетей.
В первой главе работы рассмотрены существующие методики диагностики силовых трансформаторов, которые были разделены на три группы:
- работы по диагностике, не требуют прикосновения к работающему трансформатору;
- работы, требующие прикосновения к работающему трансформатору;
- работы по диагностике, требующие отключения трансформатора.
Во второй главе проведен анализ существующих устройств и систем диагностики и мониторинга трансформаторов. Сформулировано определение оптимального жизненного цикла трансформатора и приведена математическая модель системы по его реализации.
Третья глава работы посвящена проектированию подсистемы мониторинга и управления системой охлаждения трансформатора с принудительным охлаждением.
Разработанная система строится на базе нескольких моделей, подсистем и модулей:
Проектная модель системы - это модель, позволяющая на основе результатов мониторинга и уравнений динамики тепловых процессов строить прогноз изменения температуры верхних слоев масла трансформатора, а также технико-экономическая модель, позволяющая путем расчета оптимального варианта трансформатора оценить сроки замены эксплуатируемого устройства.
Модель информационного обмена МИО СОЖЦСТ, основанная на технологии ОРС (OLE for Process Control), что позволяет стандартизировать обмен данными в системе.
Подсистема мониторинга - система датчиков тока, напряжения, температуры, состояния контактов автоматов питания. Информация с датчиков через контроллер передается на сервер системы и заносится в базу данных, становясь доступной для подсистем обработки информации и принятия решений.
Модуль управления системой охлаждения, позволяющий поддерживать заданный температурный режим работы оборудования при минимальном расходе электроэнергии на охлаждение.
Для достижения поставленной цели, в магистерской работе решены следующие задачи:
1. Создана система поддержки жизненного цикла силовых
трансформаторов, позволяющая оценить состояние оборудования и эффективность его работы, а также повысить надежность эксплуатации и продлить срок службы.
2. Обоснована многоуровневая структура системы поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов, позволяющая унифицировать отдельные подсистемы, снизив тем самым затраты на ее разработку, ремонт, модернизацию и развитие.
3. Разработана подсистема мониторинга силового трансформатора, позволяющая осуществлять сбор, хранение и первичную обработку информации о работе трансформатора.
4. Разработана нейросетевая модель, обучающаяся по результатам мониторинга трансформатора, позволяющая прогнозировать изменение внешних факторов, воздействующих на трансформатор, и результаты управления системой охлаждения трансформатора.
5. Разработана подсистема управления системой охлаждения трансформатора, основанная на двойном прогнозе результатов управляющих воздействий, учитывающая такие факторы как инертность тепловых процессов, невозможность реализации частых управляющих воздействий, учет вероятных изменений возмущающих воздействий.
Практическая значимость результатов работы состоит в разработке моделей, алгоритмов и программно-технических средств, позволяющих производить оптимизацию режимов работы трансформатора, своевременный ремонт и замену.
Традиционно теория САПР рассматривается со стороны производителя технических устройств. Потребитель, имеющий свои требования к ним, вынесен за пределы САПР. Поэтому в магистерской диссертации предложен альтернативный подход к созданию САПР, ориентированной на эксплуатирующую организацию. Здесь акцент делается на разработке подсистем функционального проектирования, которые способны решать задачи с произвольной формулировкой технического задания и могут быть использованы для детализации конструкции существующего устройства при недостаточной информации о нем.
Поставленные задачи решались с использованием методов теории САПР, теории электромеханических преобразователей энергии, теории тепловых цепей, теории нелинейного программирования, теории нейронных сетей.
В первой главе работы рассмотрены существующие методики диагностики силовых трансформаторов, которые были разделены на три группы:
- работы по диагностике, не требуют прикосновения к работающему трансформатору;
- работы, требующие прикосновения к работающему трансформатору;
- работы по диагностике, требующие отключения трансформатора.
Во второй главе проведен анализ существующих устройств и систем диагностики и мониторинга трансформаторов. Сформулировано определение оптимального жизненного цикла трансформатора и приведена математическая модель системы по его реализации.
Третья глава работы посвящена проектированию подсистемы мониторинга и управления системой охлаждения трансформатора с принудительным охлаждением.
Разработанная система строится на базе нескольких моделей, подсистем и модулей:
Проектная модель системы - это модель, позволяющая на основе результатов мониторинга и уравнений динамики тепловых процессов строить прогноз изменения температуры верхних слоев масла трансформатора, а также технико-экономическая модель, позволяющая путем расчета оптимального варианта трансформатора оценить сроки замены эксплуатируемого устройства.
Модель информационного обмена МИО СОЖЦСТ, основанная на технологии ОРС (OLE for Process Control), что позволяет стандартизировать обмен данными в системе.
Подсистема мониторинга - система датчиков тока, напряжения, температуры, состояния контактов автоматов питания. Информация с датчиков через контроллер передается на сервер системы и заносится в базу данных, становясь доступной для подсистем обработки информации и принятия решений.
Модуль управления системой охлаждения, позволяющий поддерживать заданный температурный режим работы оборудования при минимальном расходе электроэнергии на охлаждение.
Для достижения поставленной цели, в магистерской работе решены следующие задачи:
1. Создана система поддержки жизненного цикла силовых
трансформаторов, позволяющая оценить состояние оборудования и эффективность его работы, а также повысить надежность эксплуатации и продлить срок службы.
2. Обоснована многоуровневая структура системы поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов, позволяющая унифицировать отдельные подсистемы, снизив тем самым затраты на ее разработку, ремонт, модернизацию и развитие.
3. Разработана подсистема мониторинга силового трансформатора, позволяющая осуществлять сбор, хранение и первичную обработку информации о работе трансформатора.
4. Разработана нейросетевая модель, обучающаяся по результатам мониторинга трансформатора, позволяющая прогнозировать изменение внешних факторов, воздействующих на трансформатор, и результаты управления системой охлаждения трансформатора.
5. Разработана подсистема управления системой охлаждения трансформатора, основанная на двойном прогнозе результатов управляющих воздействий, учитывающая такие факторы как инертность тепловых процессов, невозможность реализации частых управляющих воздействий, учет вероятных изменений возмущающих воздействий.
Практическая значимость результатов работы состоит в разработке моделей, алгоритмов и программно-технических средств, позволяющих производить оптимизацию режимов работы трансформатора, своевременный ремонт и замену.