Автоматизированная система контроля технического состояния силовых трансформаторов с длительным сроком эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Дашевский, Евгений Григорьевич

• Дашевский, Евгений Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дашевский, Евгений Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ МОНИТОРИНГА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

1.1 Анализ состояния парка силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

1.1.1 Выводы по пункту 1.1.

1.2 Задачи, решаемые известными системами мониторинга силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

1.2.1 Требования ОАО «ФСК ЕЭС» к системам мониторинга силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

1.2.2 Задачи, решаемые системой TDM. 2q

1.2.3 Задачи, решаемые системой СУМ ТО.

1.2.4 Задачи, решаемые системой TP AS. ^

1.2.5 Выводы по пункту 1.2.

1.3 Алгоритмы мониторинга, используемые известными системами мониторинга силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

1.3.1 Требования ОАО «ФСК ЕЭС» к алгоритмическому обеспечению систем мониторинга силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

1.3.2 Алгоритмы, используемые системой TDM.

1.3.3 Алгоритмы, используемые системой СУМ ТО.

1.3.4 Алгоритмы, используемые системой TPAS.

1.3.5 Выводы по пункту 1.3.

1.4 Техническая реализация известных систем мониторинга силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

1.4.1 Требования ОАО «ФСК ЕЭС» к способам реализации систем мониторинга силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

1.4.2 Техническая реализация системы TDM.^

1.4.3 Техническая реализация системы СУМ ТО.

1.4.4. Техническая реализация системы ТРАБ.

1.4.5 Выводы по пункту 1.4. ^

1.5 Способы интеграции в АСУ ТП, используемые в известных системах мониторинга силовых трансформаторов и автотрансформаторов. ^

1.5.1 Требования ОАО «ФСК ЕЭС» к способам интеграции систем мониторинга силовых трансформаторов и автотрансформаторов в АСУ ТП. ^

1.5.2 Способ интеграции в АСУ ТП СУМ ТО.

1.5.3 Выводы по пункту 1.5.

1.6 Выводы по главе 1.

2 ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ, ДЛИТЕЛЬНОЕ ВРЕМЯ НАХОДЯЩИХСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ.

2.1 Оценка экономической эффективности системы мониторинга силовых трансформаторов, длительное время находящихся в эксплуатации.

2.2 Методика выбора устройства контроля газосодержания и влагосо-держания трансформаторного масла для системы мониторинга силовых трансформаторов, длительное время находящихся в эксплуатации.

2.3 Устройство сопряжения системы управления охлаждением и системы мониторинга силовых трансформаторов, длительное время находящихся в эксплуатации.

2.4 Контроль деформации обмоток силового трансформатора под рабочим напряжением.

2.4.1 Анализ существующих методов контроля деформации обмоток силового трансформатора под рабочим напряжением. ^

2.4.2 Эквивалентная схема силового трансформатора.

2.4.3 Моделирование в среде Ма^аЬ.

2.5 Система контроля состояния вводов с бумажно-масляной изоляцией

2.5.1 Обзор методов контроля состояния вводов с бумажно-масляной и ШР-изоляцией конденсаторного типа.

2.5.2 Система автоматизированного контроля изоляции вводов, отстроенная от влияния атмосферных осадков на загрязнённых поверхностях вводов.

2.5.3 Алгоритм отстройки системы автоматизированного контроля изоляции вводов от влияния атмосферных осадков на загрязнённых поверхностях вводов.

2.6 Выводы по главе 2. ^

3 НЕЙРОННЫЕ СЕТИ В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ, ДЛИТЕЛЬНОЕ ВРЕМЯ НАХОДЯЩИХСЯ

В ЭКСПЛУАТАЦИИ.

3.1 Методы определения старения изоляции.

3.1.1 Выводы по пункту 3.1.

3.2 Определение требований к методу, используемому для решения задач моделирования концентрации газов в трансформаторном масле и моделирования относительной скорости термического износа изоляции. ^^

3.2.1 Общие сведения о нейронных сетях.

3.2.2 Моделирование относительной скорости термического износа изоляции при помощи нейронных сетей.

3.2.3 Выбор типа и определение требований к нейронной сети, решающей задачу моделирования концентрации газов в трансформаторном масле.

3.3 Применение нейросетевой модели относительной скорости термического износа изоляции в системе мониторинга силовых трансформаторов, длительное время находящихся в эксплуатации.

3.4 Определение экономической целесообразности включенияотключения электродвигателей вентиляторов системы охлаждения

1 115 трансформатора.

3.5 Выводы по главе 3.

4 РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ, ДЛИТЕЛЬНОЕ ВРЕМЯ НАХОДЯЩИХСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ.

4.1 Структура разработанной системы мониторинга силовых трансформаторов, длительное время находящихся в эксплуатации. ^^

4.2 Алгоритмической обеспечения системы мониторинга силовых трансформаторов, длительное время находящихся в эксплуатации.

4.2.1 Общие положения.

4.2.2 Алгоритмы контроля теплового состояния, повышения напряжения и газосодержания трансформаторного масла.

4.2.3 Алгоритмы контроля состояния системы охлаждения. л

4.3 Интерфейс АРМ оператора.

4.4 Обеспечение электропитания системы мониторинга силовых трансформаторов, длительное время находящихся в эксплуатации и связи с АСУ ТП, РЗА и ЦС.

4.5 Лабораторные испытания системы мониторинга силовых трансформаторов, длительное время находящихся к эксплуатации.

4.6 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированная система контроля технического состояния силовых трансформаторов с длительным сроком эксплуатации»

Актуальность темы. Силовые трансформаторы входят в состав основного высоковольтного оборудование электростанций и подстанций. Они являются системообразующими элементами и по своим техническим и конструктивным параметрам не подлежат частой замене, то есть аварийный выход трансформатора из строя ставит под угрозу нормальное функционирование станции или подстанции [1], тем самым создавая угрозу недоотпуска электроэнергии потребителям, которая в свою очередь может привести к возникновению экономического ущерба, величина которого зависит от спецификипотре-бителя.

Особенностью силовых трансформаторов, в первую очередь, является недоступность обмоток для прямого обследования, которая делает контроль их состояния сложной задачей. Ещё одной особенностью является высокий уровень электромагнитных помех и ультравысоких напряжений, усложняющих измерение электрических параметров трансформатора во время его работы.

Также следует учитывать тот факт, что суммарная мощность силовых трансформаторов в энергосистемах превышает установленную мощность генераторов и 80-90% недоотпуска электроэнергии в электрических сетях происходит из-за аварий силовых трансформаторов [2].

Таким образом, повреждаемость силовых трансформаторов непосредственно влияет на надёжность энергосистемы в целом, что объясняет высокие требования, предъявляемые к надёжности силовых трансформаторов. Одним из путей повышения надёжности является своевременное диагностирование развивающегося дефекта, который может привести к аварийному выходу из строя силового трансформатора.

Наибольшей эффективностью, согласно [1, 3], в предупреждении аварий трансформаторов обладают автоматизированные системы контроля технического состояния, чаще называемые системами мониторинга (далее, система, АСКТС, СМ).

Первые разработки подобных систем относятся к началу 80-ых годов XX века.

В настоящий момент наибольшее проработанными являются системы мониторинга зарубежного производства (системы TPAS, Siemens, ABB Sech-erori), существует также ряд разработок производства России и стран СНГ (системы SAFE-T, TDM, СУМ-ТО).

Вышеупомянутые системы мониторинга в подавляющем большинстве случаев устанавливаются на новые трансформаторы, вводимые в эксплуатацию, но, как видно из [4], значительное количество отказов происходит на трансформаторах, уже находящихся в эксплуатации более 10 лет. По данным [5], на трансформаторы с таким сроком службы приходится порядка 90% парка силовых трансформаторов России.

Разработка и обоснование технических и алгоритмических решений для системы мониторинга силовых трансформаторов с длительным сроком эксплуатации (ТсДСЭ) представляет научный и практический интерес.

Приведенные соображения объясняют актуальность исследования АСКТС ТсДСЭ и разработку средств для её реализации.

Решению этой проблемы посвящены работы Абрамова В.Б., Алексеева Б.А., Баранникова Е.Я., Бедерака Я.С., Богатырёва Ю.Л., Вдовико В.П., До-рожко C.B., Засыпкина A.C., Иерусалимова М.Е., Мордковича А.Г., Несви-жинского А.И., Проценко А.Р., Рассальского А.Н., Русова В. А., Сенчукова A.A., Соколова В.В., Туркота В.А., Фадеева Н.Э., Цфасмана Г.М., Шакаряна Ю.Г., Шинкаренко Г.В., Boss P., Ecknauer Е., Gysi R., Knab H. J., Leibfried Th., Marks J., и др.

Объектом исследования диссертационной работы являются АСКТС

ТсДСЭ.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка АСКТС ТсДСЭ, обеспечивающей уменьшение числа аварийных отказов трансформаторного оборудования.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Исследование и анализ существующих систем, их алгоритмического и программного обеспечения, а также их структуры.

2. Разработка методики оценки экономического эффекта от использования АСКТС ТсДСЭ.

3. Разработка устройства интеграции системы управления охлаждением, ранее установленной на трансформаторе, в АСКТС ТсДСЭ.

4. Разработка методики оценки экономической целесообразности вюпоче-ния-отключения электродвигателей вентиляторов системы охлаждения.

5. Определение целесообразного набора газов, контролируемых устройствами' контроля газосодержания и влагосодержания масла, являющегося составной частью АСКТС ТсДСЭ.

6. Разработка способа контроля степени деформации обмоток трансформатора под рабочим напряжением.

7. У совершенствование устройства контроля состояния изоляции высоковольтных вводов по неравновесно-компенсационному методу (НКМ), интегрируемого в АСКТС ТсДСЭ, позволяющее избежать ложного срабатывания в случае наличия атмосферных осадков на загрязненных поверхностях вводов.

8. Разработка АСКТС ТсДСЭ, основанной на предложенных усовершенствованиях, а также её алгоритмического и программного обеспечения.

Методы исследований и достоверность результатов. Поставленные в диссертации задачи решены с использованием методов теории электрических цепей, электрических машин, математического моделирования, нейронных сетей и другие.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также результатов аналитических исследований, обеспечиваются согласованием результатов, полученных во время испытаний в лабораторных условиях с результатами математического моделирования. Расхождение результатов экспериментальных данных с результатами математического моделирования не превышало 10%.

Научная новизна работы. В работе содержатся следующие новые научные результаты:

1. Предложен способ автоматизированного контроля деформации обмоток понижающего трёхфазного силового трансформатора или трёхфазной группы однофазных силовых трансформаторов под рабочим напряжением, в отличие от существующих основан на сравнении вычисленных и базовых значений индуктивных сопротивлений короткого замыкания с учетом неравенства сопротивлений намагничивания для токов прямой и нулевой последовательностей.

2. Предложено усовершенствование структуры системы автоматизированного контроля состояния изоляции высоковольтных вводов по неравновесно-компенсационному методу, отличающийся от существующих сравнением значений контролируемых токов утечки вводов с заданными и запрете сигнализации о недопустимом ухудшении изоляции, позволяющее избежать ложного срабатывания в случае наличия атмосферных осадков на загрязненных поверхностях вводов.

3. Разработана методика оценки экономического эффекта от внедрения АСКТС ТсДСЭ, в отличие от существующих основанная на определении целесообразного числа контролируемых АСКТС ТсДСЭ параметров трансформатора.

4. Разработана методика оценки экономической целесообразности включения-отключения электродвигателей вентиляторов системы охлаждения, отличающийся от существующих тем, что базируется на сравнении экономии ресурса изоляции трансформатора и затрат на обеспечение указанной экономии.

5. Обосновано сокращение контролируемых модулем контроля газосодержания и влагосодержания масла газов до СО и СО?, отличающееся от существующих тем, что основано на анализе совокупности диагностических функций, реализуемых АСКТС трансформаторного оборудования.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложенные усовершенствования АСКТС (контроль степени деформации обмоток, течей масла, дефектов системы охлаждения, использование датчиков вибрации и частичных разрядов, во вводах и обмотках трансформатора), использование которых позволяет уменьшить величину отношения «стоимость системы - процент выявляемых дефектов», выраженную в процентах к системе, отвечающей требованиям ОАО «ФСК ЕЭС», почти в два раза по отношению к системе, соответствующей требования ОАО «ФСК ЕЭС», не увеличивая значительно при этом стоимость самой системы по отношению к системе, соответствующей требованиям ОАО «ФСК ЕЭС».

2. Разработано и практически реализовано устройство интеграции системы управления охлаждением, ранее установленной на трансформаторе, в АСКТС ТсДСЭ.

3. Предложенные в диссертации усовершенствования реализованы в АСКТС ТсДСЭ.

Реализация результатов работы.

Результаты работы используются в АСКТС ТсДСЭ, изготовленной ООО НПФ «Квазар» (г. Новочеркасск) по заданию филиала ОГК-5 «Невино-мысская ГРЭС».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика оценки экономического эффекта от внедрения, АСКТС ТсДСЭ.

2. Способ контроля степени деформации обмоток трансформатора под рабочим напряжением.

3. Усовершенствованная структура системы автоматизированного контроля изоляции, позволяющая избежать ложного срабатывания в случае наличия атмосферных осадков на загрязненных поверхностях вводов.

4. Методика оценки экономической целесообразности включенияотключения электродвигателей вентиляторов системы охлаждения.

5. Устройство интеграции в АСКТС системы управления охлаждением, ранее установленной на трансформаторе.

6. Обоснование целесообразности контроля концентрации газов, растворённых в масле СО и СО2, модулем контроля газосодержания и влагосо-держания масла, входящим в состав АСКТС ТсДСЭ.

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 9 печатных работ, из них 4 в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 164 страницах, содержит 45 рисунков, 16 таблиц и 104 литературных источников.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Дашевский, Евгений Григорьевич

4.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Разработана структурная схема СМ, отвечающая требованиям ОАО «ФСК ЕЭС».

2. На основании требований ОАО «ФСК ЕЭС», а также предложенных в п.2.2 усовершенствований, разработано программное обеспечение СМ.

3. На основании требований ОАО «ФСК ЕЭС», а также предложенных в г.2 усовершенствований, разработана СМ, ориентированная на установку на трансформаторы с длительным сроком эксплуатации и изготовлен её экспериментальный образец.

4. Разработано устройство подключения СМ (УПСМ-01), позволяющее производить проверку шкафов СМ.

5. Разработана программа проведения лабораторных испытаний СМ и проведены её лабораторные испытания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технические разработки, обеспечивающие решение важных прикладных задач. Основные научные выводы и практические результаты можно сформулировать в следующем виде:

1. Разработана методика оценки экономического эффекта от внедрения автоматизированной системы контроля состояния трансформаторов с длительным сроком эксплуатации (АСКТС ТсДСЭ), которая может быть использована для определения значения срока функционирования трансформатора, начиная с которого установка на нём система даст наибольший экономический эффект.

2. Предложен ряд усовершенствований АСКТС ТсДСЭ, использование которых увеличит процент выявляемых дефектов почти в два раза, по отношению к проценту дефектов выявляемых системой, соответствующей требованиям ОАО «ФСК ЕЭС». Стоимость системы, по отношению к системе, соответствующей требованиям ОАО «ФСК ЕЭС», при этом возрастает на 10%. К этим усовершенствованиям относятся: контроль деформации обмоток, контроль дефектов системы охлаждения и др.

3. На основе анализа совокупности диагностических функций, реализуемых АСКТС ТсДСЭ, обоснована целесообразность сокращения числа контролируемых газов контролируемых модулем контроля газосодержания трансформаторного масла до СО и СО2.

4. Разработана новая методика оценки экономической целесообразности включения-отключения электродвигателей вентиляторов системы охлаждения.

5. Разработано устройство МКССУО-01, интегрирующее систему управления охлаждением, ранее установленную на трансформаторе, в АСКТС ТсДСЭ. При этом нет необходимости в установке нового модуля контроля и управления системой охлаждения.

6. Предложено усовершенствование структуры системы автоматизированного контроля состояния изоляции высоковольтных вводов по НКМ, позволяющее снизить вероятность ложного срабатывания в случае наличия атмосферных осадков на загрязненных поверхностях вводов.

7. Предложен способ контроля степени деформации обмоток трехфазных трансформаторов под рабочим напряжением, базирующийся на фиксации векторов напряжений и токов и вычислении индуктивного сопротивления короткого замыкания, учитывающий неравенство сопротивлений намагничивания прямой (обратной) и нулевой последовательностей.

8. Разработаны: структурная, функциональная и принципиальная схемы АСКТС силовых трансформаторов, длительное время находится в эксплуатации, а также алгоритмическое обеспечение АРМ оператора. При участии автора разработан и изготовлен образец АСКТС ТсДСЭ. Образец прошел лабораторные испытания.