Разработка и исследование методов диагностики маслонаполненного энергетического оборудования на основе измерения токов поляризации

На правах рукописи

ЧЕРНОВ Валерий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ

МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Специальность: 05.09.02 – Электротехнические материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в филиале государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский энергетический институт (технический университет)» в г. Смоленске на кафедре «Теоретических основ электротехники»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Чернышев Валентин Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Серебрянников Сергей Владимирович

кандидат технических наук, доцент

Максимкин Виктор Леонидович

Ведущая организация – Филиал открытого акционерного общества «Межрегиональная распределительная сетевая компания Центра» - «Смоленскэнерго» (Филиал ОАО «МРСК Центра» - «Смоленскэнерго»)

Защита состоится « 23 » октября 2009 г. в 13.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при ГОУВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» по адресу 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.13, ауд. Е-205.

Отзывы на автореферат в 2-х экз., заверенные печатью организации, направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «МЭИ (ТУ)».

Автореферат разослан «___» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н., доцент М.В. Рябчицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сегодня большинство силовых трансформаторов в системах электроснабжения всего мира исчерпала или приближается к запланированному сроку своей жизни. В связи с этим проблема оценки фактического состояния изоляции энергетического оборудования в процессе его эксплуатации является достаточно актуальной, особенно при отказе от методов планово-предупредительного обслуживания и переходе на обслуживание по реальному техническому состоянию.

В настоящее время существует большое количество методов контроля состояния высоковольтных трансформаторов, так и не обеспечивших широкого внедрения профилактического контроля повсеместно. В каждом таком методе используется своя физическая модель, раскрывающая характер энергетического воздействия определенного вида на объект контроля и свои принципиально различные подходы аппаратурного оформления. Таких энергетических воздействий оказывается довольно много: это волны электрического перенапряжения, термические пики, области повышенных температур, процессы, связанные с развитием частичных разрядов, импульсные механические нагрузки, звуковые и ультразвуковые колебания, процессы старения и многое другое.

Большое разнообразие методов контроля, сложность диагностического оборудования, отсутствие хорошо разработанных методик контроля и скудность базы исходных данных справочного характера не позволяют сформировать единое информационное поле, обеспечивающее создание унифицированной методики достоверной оценки состояния работающего электротехнического устройства.

Цель работы: разработка эффективных методов оценки состояния изоляционных промежутков, как уровня качества эксплуатируемого энергетического оборудования, на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности. При этом полагается, что разрабатываемые методы должны позволять оценивать не только состояние изоляционных промежутков, но и длительность оставшегося срока эксплуатации электротехнического устройства в целом.

Задачи исследования:

1. Описание процессов старения диэлектрических материалов, формирующих изоляционную систему маслонаполненного высоковольтного оборудования при его длительной работе в реальных эксплутационных условиях;

2. Анализ известных методов оценки состояния изоляции маслонаполненного энергетического оборудования, получивших наиболее широкое применение на практике;

3. Описание методов моделирования изоляционной конструкции маслонаполненных силовых трансформаторов, позволяющих сложную изоляционную конструкцию свести к модели двухслойного диэлектрика, использование которой дает возможность по экспериментально измеренной зависимости тока абсорбции от времени выделить участки, описывающие диэлектрические свойства каждой компоненты двухслойной изоляции в отдельности;

4. Разработка метода диагностики состояния изоляционного промежутка, основанного на измерении уровня тока деполяризации и его изменения во времени, названного в работе методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области»;

5. Разработка метода расчета «Обобщенного показателя состояния» изоляционного промежутка, основанного на контроле достаточно широкого спектра электрических характеристик, и его графическое исполнение в виде «Диаграммы состояния», т.е. представление обширного объема информации в виде единой логической структуры в матричной форме;

6. Разработка соответствующего программного обеспечения для построения «Диаграммы состояния», позволяющее упростить процесс обработки и анализа экспериментальных данных;

7. Экспериментальное подтверждение обнаруженных закономерностей и предлагаемых в работе механизмов старения с помощью физических моделей изоляционных промежутков и в условиях реально эксплуатируемого оборудования.

Достоверность полученных результатов. Достоверность и обоснованность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, обеспечивается использованием надежных методов исследования, применением точных средств измерения и математических методов обработки исследуемых величин при производственных испытаниях и подтверждается экспериментальной проверкой на реальном эксплуатируемом оборудовании.

Научная новизна диссертации заключается в том, что

- теоретически обоснована возможность определения состояния изоляционных промежутков на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах;

- выполнено обоснование и разработаны диагностические методы для оценки состояния изоляционных промежутков энергетических объектов на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности;

- из временного спектра поляризационного тока выделены области обусловленные установлением структурной поляризации и поляризации в слое твердой составляющей изоляции, что является отличительной особенностью методики предлагаемой в работе;

- предложена методика представления выделенной части временного спектра поляризационного тока в модифицированном виде, представляющем собой зависимость коэффициента диэлектрических потерь от времени, что является удобным для интерпретации и анализа;

- впервые разработаны и систематизированы методы обработки данных, полученных в процессе диагностики энергетического оборудования, применимые для расчета параметров эксплуатационной надежности и прогнозирования;

- впервые применен модифицированный метод «Структурирование функций качества» для формирования заключения о состоянии изоляционного промежутка энергетического оборудования, позволяющий отдельные контролируемые параметры представить в виде единой логической структуры в матричной форме;

- разработано программное обеспечение для оценки состояния изоляционных промежутков на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей поляризационных процессов в них.

Практическая ценность. Разработана методика оценки состояния изоляционных промежутков, как меры качества эксплуатируемого энергетического оборудования, на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности.

Реализация результатов работы. Исследования, представленные в данной работе, выполнялись в рамках научных работ, проводимых кафедрой ТОЭ Смоленского филиала МЭИ под руководством д.т.н., профессора Чернышева В. А., и инициированных сетевыми компаниями ОАО «Смоленскэнерго» и ОАО «Брянскэнерго», по заданию которых были выполнены ряд крупных хоздоговорных научно-исследовательских работ в данном направлении.

Апробация работы. Основные результаты экспериментальных работ и теоретических исследований докладывались и обсуждались:

- на одиннадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, 2005 г.);

- на международной конференции по математическим метода в технике и гуманитарным наукам (г. Смоленск, 2005 г.);

- на международной научно-технической конференции (Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2005 г и 2007 г.);

- на III межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Смоленск, 2006 г.),

- на международной конференции по электромеханике, электротехнологии, электротехническим материалам и компонентам (г. Алушта, 2006 г и 2008 г.);

- на международной научно-технической конференции (г. Казань, 2008 г.);

- на заседании кафедры «Общей физики» Смоленского Государственного Университета (г. Смоленск, 2005 г, 2006 г и 2007 г.);

- на заседании кафедры «Теоретических основ электротехники» филиала «Московский энергетический институт (Технический университет)» в г. Смоленске (г. Смоленск 2006 г и 2008 г.);

- на VII международной научно-практической конференции «Электроизоляционные материалы и системы изоляции вращающихся электрических машин - 2009» (г. Москва 2009 г.);

- на IV международной научно-технической конференции «Силовые трансформаторы и системы диагностики» (г. Москва 2009 г.).

Основные положения, представляемые к защите:

1. Методы оценки состояния изоляционных промежутков, как меры качества эксплуатируемого энергетического оборудования, на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности;

2. Метод диагностики состояния изоляционного промежутка, основанный на измерении уровня тока деполяризации и его изменении во времени, названный в работе методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области»;

3. Метод расчета «Обобщенного показателя состояния» изоляционного промежутка и его графическое представление в виде «Диаграммы состояния»;

4. Программная реализация метода построения «Диаграммы состояния» для изоляционного промежутка;

5. Результаты экспериментального подтверждения обнаруженных закономерностей и предлагаемых в работе механизмов старения с помощью физических моделей изоляционных промежутков и в условиях реально эксплуатируемого оборудования.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 77 наименований и приложений. Диссертация изложена на 153 страницах основного текста, содержит 66 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются цель и задачи исследования, определяется научная новизна, практическая значимость результатов исследования, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются свойства бумажно-масляных изоляционных промежутков силовых трансформаторов и ее компонент. Особое внимание уделяется влиянию различных факторов оказывающих воздействие на изоляционные свойства такой двухкомпонентной системы в процессе эксплуатации. Приводится обзор химических методов диагностики, традиционных электрических методов определения состояния изоляции энергетического оборудования, а также методов, основанных на измерении диэлектрического отклика и определении остаточного ресурса изоляции. Рассматриваются не только методы получения, но и методики обработки и анализа экспериментальных данных.

Во второй главе дано описание изоляционной конструкции маслонаполненных трансформаторов и силовых конденсаторов, которые были выбраны в качестве физической модели бумажно-масляной изоляции.

Рассмотрены методы моделирования изоляции трансформатора, позволяющие сложную изоляционную конструкцию свести к двухслойному диэлектрику, так называемая Х-модель. Использование такой модели особенно актуально при недостаточном количестве информации о конструкции, исследуемой изоляции. Показано, что использование Х-модели позволяет из экспериментально измеренной зависимости тока абсорбции от времени выделить участки, описывающие диэлектрические свойства каждой компоненты двухслойной изоляции в отдельности.

Сформирована физическая модель изоляционного бумажно-масляного промежутка, позволяющая изучать закономерности процессов старения в двухкомпонентной изоляционной системе. В качестве такой физической модели была выбрана изоляция силовых конденсаторов марки МБГО-2. Показано, что процессы в изоляционном промежутке силового конденсатора МБГО-2 аналогичны процессам в бумажно-масляной изоляции трансформатора, что и определяет их выбор в качестве физической модели.

Описаны экспериментальные методы испытания изоляционных промежутков: метод измерения токов деполяризации и испытания изоляции с помощью мегомметра С.А.6547, который позволяет измерять целый ряд параметров характеризующих состояние изоляции.

Предложены методические подходы к интерпретации экспериментальных данных, в основе которых лежит анализ поляризационных процессов протекающих в бумажно-масляной изоляции: метод «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» и метод расчета «Обобщенного показателя состояния» и его графическое представление в виде «Диаграммы состояния».

Предлагаемая в работе методика «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» заключается в сравнении параметра контроля с известными его значениями, характерными для определенного состояния исследуемого изоляционного промежутка.

В работах В.А. Чернышева предлагается в качестве такого параметра контроля использовать зависимость коэффициента диэлектрических потерь от времени ’’(t). Аналитически такую зависимость можно представить в виде:

(1)

где, ’’ – коэффициент диэлектрических потерь, I(t) – ток деполяризации как функция от времени, t – время, d – константа равная .

Тогда задача оценки состояния изоляционного промежутка по экспериментально полученной зависимости ’’(t) сводится к определению степени соответствия полученной зависимости одной из реперных ее аналогов (рис.1), система которых сформирована в виде некоторой шкалы оценок.

Рис.1. Семейство реперных зависимостей, соответствующих выбранной шкале оценок.

Для реализации данного метода оценки состояния изоляционных систем был сформирован алгоритм, позволяющий, избавится от субъективной оценки оператора производящего анализ. Для этого была сконструирована шкала оценок, представляющая собой набор некоторой совокупности семантических единиц:

1. новая система;
2. система, бывшая в эксплуатации;
3. состаренная система;
4. критическая.

Каждой семантической единице шкалы ставится в соответствие определенное состояние изоляционной системы, которое характеризуется своей собственной зависимостью коэффициента диэлектрических потерь от времени (рис.1).

Каждая кривая совокупности реперных зависимостей задается n точками (на рис.1 n = 12), определяющими ее положение в плоскости координат, а также величинами коэффициентов весомости , с помощью которых и фиксируется вид исследуемой функциональной зависимости. С этой целью проводится предварительное ранжирование выбранных на реперных кривых точек. Ранг точки устанавливается по величине ее ординаты. Так точке с координатами [X; Ymax] присваивается ранг 1, ниже следующей точке – ранг 2 и т.д. Тогда используя формулу А.П. Ферапонтова можно найти величину коэффициента весомости рассматриваемой точки.

(2)

где, Ri,j – ранг i-ой точки для j-ой кривой, i = 1, 2, …, n; j = 1, 2, …, k, k – число реперных кривых, n – число точек. В итоге удается сформировать матрицу М весовых коэффициентов ai,j для всех точек, задающих положение реперных кривых.

(3)

Экспериментально полученная кривая может быть представлена в виде вектора Xj(t), каждое значение которого задает положение соответствующей точки на зависимости .

(4)

В результате вектор Вj, представляющий собой произведение вектора Xj(t) на матрицу М, позволит соотнести кривую X(t) с каждой из семейства эталонных кривых и тем самым идентифицировать состояние изоляционной системы контролируемого электротехнического оборудования.

(5)

На рис.2 (а, б, в, г) приведены результаты идентификации некоторых условных состояний изоляционной системы, близкие по своим характерным особенностям к 1 – новой изоляции; 2 – б/у изоляции; 3 – состаренной; 4 - критической, которые были представлены соответствующими векторами: X1(t), X2(t), X3(t) и X4(t).

а) новая изоляция

б) б/у изоляция

в) состаренная изоляция

г) критическая

Рис.2. Результаты идентификации основных состояний изоляционных конструкций.

На всех четырех диаграммах рис.2 номер столбика, соответствующего максимальному значению вектора Вj, идентифицирует степень износа изоляции и тем самым оценивает ее состояние. Так на рис. 2 (а) максимальную величину имеет первое значение b1 = 0,288. Это свидетельствует о том, что вектор Х1(t) в большей степени соответствует реперной кривой, которая характерна для новой изоляции.

Анализ всех четырех диаграмм, приведенных на рис. 2, показывает, что данные подходы устанавливают четкое различие между состоянием, характерным для новой изоляции, и ее критическим состоянием (рис. 2 (а) и рис. 2 (г)). Различие между состоянием б/у и состоянием состаренной изоляции не такое значительное, хотя вполне различимое. Это свидетельствует о том, что физические процессы, протекающие в объеме изоляции в этих двух случаях, практически идентичны и отличаются только своими количественными показателями.

Таким образом, предлагаемый в работе метод «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» позволяет идентифицировать степень изношенности изоляционной системы в рамках отдельно выбранного типа электротехнического оборудования, имеющего надежно установленную систему реперных кривых.

Другой метод анализа изоляционного промежутка, предлагаемый в работе, основан на контроле достаточно широкого спектра электрических характеристик: величина омического сопротивления изоляционного участка (Rиз), величина емкости (Сиз), уровень тока утечки (Iут), доминирующая величина времени релаксации процесса разрядки заряженного промежутка (). Одновременно фиксируются параметры, характеризующие интенсивность релаксационных процессов, развивающихся в контролируемом промежутке: индекс поляризации (PI), коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR), коэффициент диэлектрического разряда (DD) и, наконец, сформированный в работе обобщенный индекс поляризации (TPI – total polarization index), величина которого находится по формуле:

KTPI =[t*I(t)]max (6)

Величина этого индекса не зависит от геометрических параметров исследуемого объекта и величины приложенного напряжения, а зависит в основном от структуры и физического состояния исследуемого объекта.

В конечном итоге заключение о состоянии изоляционного промежутка формируется на основе значительного количества контролируемых параметров, каждый из которых вносит свою долю информации, значимость которой оценивается величиной коэффициента весомости.

Модификация известного метода («Структурирование функций качества» Quality Function Deployment) в работе сведена к тому, что контролируемые параметры изоляционного промежутка представляются в виде ранжированного ряда и их значения соотносятся с допустимыми. В результате появляется возможность соотнести состояние изоляционного промежутка с набором известных состояний, представленных совокупностью семантических единиц, формирующих шкалу порядка, и тем самым оценить качественно состояние контролируемого промежутка. При этом считается, что каждое реперное состояние изоляционного промежутка характеризуется определенным набором параметров, значения которых установлены с достаточной степенью точности. В результате, если состояние изоляционной конструкции установлено, то все ее числовые параметры считаются известными. К таким параметрам обычно относят: степень изношенности изоляционного промежутка, оставшийся срок его службы, увлажненность твердой компоненты промежутка и пр.

Методика построения «Диаграммы состояний» для изоляционного промежутка основана на представлении обширного объема информации в виде единой логической структуры в матричной форме. Графически такая диаграмма может выглядеть так, как показано на рис.3.

Рис.3. «Диаграмма состояния» для изоляционного промежутка.

Как видно из рис.3 число строк основания диаграммы равно числу столбцов, и это число определяется количеством параметров изоляционного промежутка, по которым строится диаграмма. В данной работе «Диаграмма состояний» для физической модели бумажно-масляной изоляции строится по девяти параметрам: величина омического сопротивления, индекс поляризации, коэффициент диэлектрической абсорбции, коэффициент диэлектрического разряда, величина тока утечки, время релаксации, обобщенный индекс поляризации, величина пробивного напряжения, емкость изоляционного промежутка.

Параметры «Диаграммы состояний» ранжируются в зависимости от важности и информативности того или иного параметра. Наиболее информативному параметру присваивается ранг 1, следующему – 2 и так далее.

Необходимо отметить тот факт, что ранжирование параметров контроля представленное в данной работе является результатом обобщения и анализа экспериментальных данных полученных при проведении испытаний энергетического оборудования.

Значения параметров получаемых в ходе испытания изоляционного промежутка вносятся в крайнюю правую колонку основания диаграммы в соответствии с их рангами. Затем находится отношение эталонного значения к полученному в ходе испытания изоляционного промежутка значению для всех параметров. Величина этого отношения вносится в клетку основания диаграммы находящуюся на пересечении эталонного и измеренного значения (рис.3).

Верхняя часть диаграммы (рис.3) представляет собой прямоугольный треугольник, гипотенуза которого лежит на основании «Диаграммы состояния», а один из катетов является шкалой оценок и предназначен для формирования заключения о состоянии изоляционного промежутка.

Для каждого из найденных отношений в верхней части «Диаграммы состояний» располагается шкала от 0 до 1, на которой откладывается величина отношения. Как видно из рис.3 цена деления каждой шкалы различна и уменьшается с увеличением ранга параметра. Таким образом, получаем 9 точек, по которым методом наименьших квадратов проводится прямая линия (луч). Попадание луча в ту или иную область, на которые разделена шкала оценок («хорошая», «средняя», «состаренная», «критическая») и определяет степень изношенности изоляции исследуемого объекта. Так на рис.3 попадание луча характеризует состояние изоляции как «состаренное».

Шкала оценок в данном случае построена таким образом, что состояние изоляции называемое «хорошим» занимает 1/2 всей шкалы оценок, «среднее» - 1/4, «состаренное» - 1/5, «критическое» состояние не ограничено. Такое деление шкалы оценок не является единственным и для различного типа энергетического оборудования возможно построение других шкал.

В третьей главе дано экспериментальное подтверждение обнаруженных закономерностей и предлагаемых в работе механизмов старения с помощью физической модели изоляционных промежутков, в качестве которой выбрана изоляционная конструкция конденсаторов марки МБГО-2, емкостью 1 мкФ и номинальным напряжением 630 В.

Описан процесс ускоренного температурного старения изоляционных промежутков физической модели, которое проводилось в целях ускорения процессов деградации в исследуемых системах.

Рассмотрена методика получения информации о состоянии бумажной изоляции из экспериментально измеренных зависимостей токов деполяризации от времени разрядки для физической модели бумажно-масляной изоляции, что позволяет оценить состояние только твердой составляющей изоляции.

Описана методика получения зависимости коэффициента диэлектрических потерь от времени, которые выбраны в качестве диагностического параметра состояния изоляционных промежутков, из экспериментально измеренных зависимостей токов деполяризации от времени разрядки.

Сконструирована шкала оценок и найдены весовые коэффициенты для метода «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» при диагностике состояния изоляционных промежутков физической модели основанного на оценке токов деполяризации, что позволяет определить степень соответствия экспериментально полученной зависимости коэффициента диэлектрических потерь от времени одной из реперных зависимостей, в качестве которых выбраны зависимости соответствующие 0, 150 и 650 часам старения.

На рис.4 представлены результаты диагностики состояния изоляционных промежутков физической модели при разных часа старения.

а) 100 часов старения

б) 350 часов старения

в) 550 часов старения

Рис.4. Результаты идентификации состояния изоляционных

промежутков.

Анализ диаграмм, представленных на рис.4, показывает, что разработанный метод «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» для конденсаторов типа МБГО-2 при температурном старении до 650 часов оценивает состояние изоляционной конструкции после 100 часов старения как близкое к состоянию характерному для 0 часов старения (рис.4 (а)), после 350 и 550 часов старения – близкое к состоянию характерному для 150 часов старения (рис.4 (б) и рис.4 (в)).

Таким образом, разработанная методика позволяет определить степень соответствия экспериментально полученной зависимости коэффициента диэлектрических потерь от времени одной из реперных, в качестве которых выбраны зависимости соответствующие 0, 150 и 650 часов старения.

Рассмотрено применение метода расчета «Обобщенного показателя состояния» для диагностики состояния изоляционных промежутков физической модели и построение его графического представления в виде «Диаграммы состояния». Показано, что данная методика позволяет с достаточной степенью достоверности оценивать фактическое состояние изоляционных промежутков, несмотря на то, что некоторые параметры контроля формирующие «Обобщенный показатель состояния» изменяются неоднозначно.

В качестве параметров формирующих «Обобщенный показатель состояния» выбран следующий спектр электрических величин: время релаксации, величина омического сопротивления R, емкость изоляционного промежутка С, индекс поляризации PI, коэффициент диэлектрической абсорбции DAR, коэффициент диэлектрического разряда DD, ток утечки Iут, величина пробивного напряжения Uпр и сформированный в работе «Обобщенный индекс поляризации» TPI.

«Диаграммы состояния» для исследуемых изоляционных промежутков представлены на рис.5.

а) 250 часов старения

б) 550 часов старения

в) 650 часов старения

Рис.5. «Диаграммы состояния» для изоляционных промежутков

конденсаторов типа МБГО-2.

Анализ «Диаграмм состояний» для изоляционных промежутков (рис.5) показывает, что применение данной методики на практике дает хороший результат даже при незначительных изменениях в изоляционных свойствах испытуемого оборудования. Действительно при 250 и 550 часах старения состояние изоляционного промежутка характеризуется как «хорошее», но при 550 часах старения со смещением в сторону «среднего», а при 650 часах старения как устойчивое «среднее» состояние. Хотя изменения в изоляционном промежутке за такое относительно небольшое время старения вызвано накоплением дефектов (увеличение количества дефектов), а не деструкцией.

В четвертой главе рассмотрено применение разработанных методов для оценки состояния изоляционных промежутков силового трансформатора марки ТДТН, установленного на подстанции № 1 в 1978 году. Так методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» проведен анализ состояния твердой изоляции каждой обмотки в отдельности и всей твердой изоляции трансформатора в целом. Для этого была разработана методика разбиения зависимости коэффициента диэлектрических потерь от времени на составляющие, которые описывают в отдельности структурную поляризацию и поляризацию в твердой изоляции силового трансформатора.

Применение метода «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» рассмотрено на примере силового трансформатора марки ТДТН с номинальным напряжением обмоток 110/35/10 кВ установленного в 1978 году на подстанции № 1.

На рис.6 представлены результаты диагностики состояния изоляционных промежутков данного трансформатора.

а) изоляционный промежуток

обмотки10кВ

б) изоляционный промежуток

обмотки 35кв

в) изоляционный промежуток обмотки 110 кВ

г) изоляционный промежуток обмоток 10/35/110 кВ относительно бака

Рис.6. Результаты идентификации состояния изоляционных

промежутков силового трансформатора.

Таким образом, по результатам диагностики состояния изоляционных промежутков силового трансформатора методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» (рис.66), его бумажная изоляция идентифицируется как «система, бывшая в эксплуатации», т.е. исследуемый трансформатор может эксплуатироваться в обычном режиме.

Сформирован спектр контрольных параметров для расчета «Обобщенного показателя состояния» и построения «Диаграммы состояния» для изоляционных промежутков силовых трансформаторов.

Для расчета «Обобщенного показателя состояния» было выбрано 9 параметров: – время релаксации, R – сопротивление изоляционного промежутка, TPI – обобщенный индекс поляризации, W – влажность изоляционного промежутка, PI – индекс поляризации, DAR - коэффициент диэлектрической абсорбции, DD – коэффициент диэлектрического разряда, Iут – ток утечки, Т – температура изоляционного промежутка.

По полученным значениям контролируемых параметров были построены «Диаграммы состояния» для исследуемых изоляционных промежутков (рис. 7).

а) «Диаграмма состояния» для изоляционного промежутка

обмотки 10 кВ.

б) «Диаграмма состояния» для изоляционного промежутка

обмотки 35 кВ.

в) «Диаграмма состояния» для изоляционного промежутка

обмотки 110 кВ.

в) «Диаграмма состояния» для изоляционного промежутка

обмоток 10/35/110 кВ

относительно бака.

Рис.7. «Диаграммы состояния» для исследуемых изоляционных

промежутков силового трансформатора

Таким образом, «Диаграммы состояния» идентифицирует изоляционный промежуток обмотки 10 кВ как «среднее» со смещением в сторону «хорошего» состояния. Это не противоречит результатам испытаний полученных инженерными службами с помощью других методов диагностики: измерение тангенса угла диэлектрических потерь, газовый анализ масла и т.д., а также хорошо согласуется с результатами диагностики бумажной изоляции данной обмотки методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» (рис.6(а)).

Что касается изоляционных промежутков обмоток 35 кВ и 110 кВ, то их состояние можно оценить как пограничное между «средним» и «состаренным», что тоже согласуется с результатами других испытаний данных изоляционных промежутков.

Результаты оценки состояния изоляционных промежутков силового трансформатора, полученные двумя методами, предлагаемыми в работе, хорошо согласуются между собой, и не противоречат результатам испытаний изоляции исследуемого трансформатора другими методами: хроматографический анализ масла, тепловизионный контроль и другие.

Методы определения состояния изоляционных промежутков, предлагаемые в диссертационной работе и экспериментально проверенные на физической модели двухкомпонентных изоляционных промежутках, использовались для оценки состояния изоляции силовых трансформаторов работающих в электрических сетях ОАО «Смоленскэнерго» и ОАО «Брянскэнерго». Испытания изоляции силовых трансформаторов проводились в рамках работы по договорам «По оценке состояния изоляционных систем действующих силовых трансформаторов» в 2005, 2006, 2007 и 2008 годах, выполненных в рамках научно-технического сотрудничества ОАО «Смоленскэнерго» и ОАО «Брянскэнерго» и Смоленским филиалом московского энергетического института. Цель данной работы состояла в разработке методики оценки состояния изоляционной системы высоковольтных трансформаторов эксплуатируемых в распределительных сетях 25 лет и более. В ходе проведения испытаний по каждому трансформатору было сформировано отдельной заключение, в котором указывается степень износа изоляционного материала, степень увлажнения твердой основы изоляционного промежутка и другие параметры.

В приложениях к диссертации приведены поясняющие таблицы, листинг программы и фрагмент технического отчета по оценке состояния изоляции силового трансформатора.

Заключение. Подводя итоги исследований представленных в работе можно сделать следующие выводы:

1. Дано описание процессов старения диэлектрических материалов, формирующих изоляционную систему силовых трансформаторов, состоящую в основном из органического масла (трансформаторного масла) и бумаги, при их длительной работе в реальных эксплутационных условиях. Показано, что скорость старения бумажно-масляной изоляции зависит от термических, окислительных, гидролитических, электрических и механических нагрузок в изоляционной конструкции;

2. Приведен анализ методик оценки и диагностики состояния изоляции высоковольтного оборудования, получивших наиболее широкое распространение на практике, который показывает, что измерение степени полимеризации бумаги, хроматографический анализ масла, измерение сопротивления изоляционного промежутка, измерение тангенса угла диэлектрических потерь и другие методы не позволяют быстро, достоверно и с минимальными затратами оценить состояние изоляции работающего энергетического устройства;

3. В работе рассмотрены методы моделирования изоляции силовых трансформаторов, позволившие сложную изоляционную конструкцию свести к двухслойному диэлектрику, Х-модель, использование которой позволяет по экспериментально измеренной зависимости тока абсорбции от времени выделить участки, описывающие диэлектрические свойства каждой компоненты двухслойной изоляции в отдельности;

4. Выбрана физическая модель изоляционного бумажно-масляного промежутка, позволяющая изучать закономерности процессов старения в двухкомпонентной изоляционной системе в лабораторных условиях. В качестве такой физической модели выбрана изоляция силовых конденсаторов марки МБГО-2. Показано, что конструкция изоляционного промежутка силового конденсатора МБГО-2 аналогична бумажно-масляной изоляции трансформатора, что и определяет выбор физической модели;

5. Описаны экспериментальные методы испытания изоляционных промежутков, применяемые в данной работе: метод измерения тока деполяризации как функции от времени и испытания изоляции с помощью мегомметра С. А 6547, который позволяет измерять целый ряд параметров характеризующих состояние изоляции. Использование данных методов испытания изоляционных промежутков позволило получить обширный экспериментальный материал, необходимый для оценки фактического состояния изоляции предлагаемыми в работе методами;

6. Предложены методические подходы к интерпретации экспериментальных данных, в основе которых лежит анализ поляризационных процессов протекающих в бумажно-масляной изоляции: метод «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» и метод расчета «Обобщенного показателя состояния» и его графическое представление в виде «Диаграммы состояния». Разработанные методы позволяют идентифицировать степень изношенности изоляционной системы в рамках отдельно выбранного типа электротехнического оборудования;

7. Сформирован параметр контроля названный «Обобщенным индексом поляризации» (TPI), который является одним из параметров для расчета «Обобщенного показателя состояния»;

8. Обеспечена независимость величины «Обобщенного индекса поляризации» от геометрических параметров исследуемого изоляционного промежутка и приложенного напряжения. Величина «Обобщенного индекса поляризации» в основном зависит от структуры и физического состояния исследуемого объекта. Приведена методика нахождения данного параметра для исследуемых изоляционных промежутков;

9. Дано экспериментальное подтверждение применимости разработанных методик обработки и интерпретации данных с помощью физических моделей изоляционных промежутков. Так сконструирована шкала оценок и найдены весовые коэффициенты для метода «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» при диагностике состояния изоляционных промежутков физической модели, что позволяет определить степень соответствия экспериментально полученной зависимости коэффициента диэлектрических потерь от времени одной из реперных зависимостей, в качестве которых выбраны зависимости соответствующие 0, 150 и 650 часам старения;

10. Рассмотрено применение метода расчета «Обобщенного показателя состояния» для диагностики состояния изоляционных промежутков физической модели и построение его графического представления в виде «Диаграммы состояния». Показано, что данная методика позволяет с достаточной степенью достоверности оценивать фактическое состояние изоляционных промежутков, несмотря на то, что некоторые параметры контроля формирующие «Обобщенный показатель состояния» изменяются неоднозначно;

11. Показана возможность применения разработанных методов для оценки состояния изоляционных промежутков силового трансформатора марки ТДТН, установленного на подстанции № 1 в 1978 году. Так методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» было оценено состояние твердой изоляции каждой обмотки в отдельности и всей твердой изоляции трансформатора в целом. Для этого была разработана методика разбиения зависимости коэффициента диэлектрических потерь от времени на составляющие, которые описывают в отдельности структурную поляризацию и поляризацию в твердой изоляции силового трансформатора;

12. Сформирован массив контрольных параметров для расчета «Обобщенного показателя состояния» и построения «Диаграммы состояния» для изоляционных промежутков силовых трансформаторов;

13. Показано, что результаты оценки состояния изоляционных промежутков силового трансформатора полученные двумя методами, предлагаемыми в работе, хорошо согласуются между собой, и не противоречат результатам испытаний изоляции исследуемого трансформатора другими методами;

14. Разработана компьютерная программа, которая позволяет упростить процесс построения «Диаграммы состояния» для изоляционного промежутка. Данный программный продукт применялся при диагностике высоковольтных трансформаторов и силовых конденсаторов.

Таким образом, разработаны эффективные методы оценки состояния изоляционных промежутков, как меры качества эксплуатируемого энергетического оборудования, на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чернышев В.А., Зенова Е.В., Коноплев Д.Ю., Чернов В.А. Исследования степени изношенности изоляционных промежутков электротехнического оборудования с помощью измерения изотермических токов деполяризации // Вестник МЭИ №1, 2006. - с. 76-81.

2. Чернышев В.А., Сафроненков Ю.А., Гордиловский А.А., Чернов В.А. Современные подходы к оценке состояния изоляции электрических машин высокого напряжения // Электротехника № 4, 2008. - с. 22-25.

3. Чернышев В.А., Коноплев Д. Ю., Чернов В. А. Оценка дефектности структуры изоляционного промежутка в эксплуатационных условиях неизотермическими методами // Тез. докл. одиннадцатой Межд. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика». - М., 2005. – с. 464.

4. Чернышев В. А., Чернов В. А., Коноплев Д. Ю. Интерпретация результатов исследования состояния изоляционного промежутка энергетического оборудования математическими методами // Материалы межд. конф. «Математические методы в технике и гуманитарных науках. Системы компьютерной математики и их приложения». – Смоленск, 2005. - с. 108 - 110.

5. Чернышев В. А., Чернов В. А. Квалиметрические подходы интерпретации результатов исследования состояния изоляционных промежутков энергетического оборудования // Тез. докл. «Состояние и перспективы развития электротехнологии (12 Бенардосовские чтения)». - Иваново, 2005. - с. 32.

6. Чернов В.А., Чернышев В.А., Артеменков С.А., Аверьянов А.В. Контроль величины изотермических токов деполяризации как метод диагностики состояния работающих изоляционных промежутков // Сб. труд. III Межрегиональной научн.-техн. конф. студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика». - Смоленск, 2006. - с. 116-120.

7. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Чернов В.А. Возможные подходы к оценке состояния изоляционной системы электротехнического оборудования // Тез. докл. XI-й Межд. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». – Алушта, 2006. - c. 41-43.

8. Чернышев В.А., Зенова Е.В., Чернов В.А., Артеменков С.А. Диагностика состояния изоляции силовых трансформаторов, основанная на оценке токов деполяризации // Тез. докл. «Состояние и перспективы развития электротехнологии (14 Бенардосовские чтения)». - Иваново, 2007. - с. 143.

9. Зенова Е.В., Чернышев В.А., Чернов В.А. Структурирование функций качества как инструмент оценивания состояния изоляционного промежутка. // Материалы межд. научн.-метод. семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». – М., 2008. - с. 196 – 200.

10. Чернышев В.А., Гордиловский А.А., Мелешина Г.А., Сафроненков Ю.А., Чернов В.А. Разработка метода оценки состояния изоляции электрических машин. // Труд. XII межд. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». – Алушта, 2008. – с. 37.

11. Гордиловский А.А., Чернов В.А., Кисляков М.А. Оценка комплексного показателя качества изоляционных промежутков силовых трансформаторов // Материалы докл. Межд. НТК «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы». – Казань, 2008. – с. 15 – 18.