Комплексное диагностическое моделирование параметров технического состояния силового трансформаторно-реакторного электрооборудования

Вид материала

Автореферат

Содержание Гольдштейн Валерий Геннадьевич Высоцкий Виталий Евгеньевич Общая характеристика диссертационной работы Целью работы В соответствии с этими целями ставятся и решаются следующие задачи Основные методы научных исследований. Основные научные результаты и их новизна Практическая ценность и реализация результатов работы. Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Апробация работы. Структура и объем диссертации. T, определяемый из условия D U1 – вектор свободных членов; ||A N-мерном пространстве (16) где T Во второй главе Т распределена непрерывно. Плотность вероятности этой величины р N). При этом элементы должны удовлетворять следующему требованию: время их жизни конечно. Пусть m В третьей главе Т - случайная величина. До­пустим, расчетным путем найдены функция распределения F С» обмотки НН возникли значительные радиальные деформации с началом потери осевой устойчивости (ΔZк ... Полное содержание

Подобный материал:

• Инструкция по проектированию силового и осветительного электрооборудования, 1220.04kb.
• Инструкция по проектированию силового и осветительного электрооборудования, 1253.3kb.
• Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №4(16) математическое, 61.09kb.
• 1 Описание объекта диагностирования, 674.93kb.
• Экзаменационные вопросы !!!, 36.74kb.
• Комплект оборудования для передвижной лаборатории оперативной оценки технического состояния, 47.86kb.
• О мониторинге технического состояния жилых домов на территории города Москвы, 111.45kb.
• ИнтервальноЕ моделирование свойств сплава, 16.17kb.
• Разработка системы многоаспектной оценки технического состояния и обслуживания высоковольтного, 878.41kb.
• «Общественного Совета специалистов по диагностике силового электрооборудования при, 140.4kb.

На правах рукописи

ХРЕННИКОВ Александр Юрьевич

КОМПЛЕКСНОЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРНО-РЕАКТОРНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ


Специальность 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Самара – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы»


Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Гольдштейн Валерий Геннадьевич


Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Халилов Фирудин Халилович


доктор технических наук, профессор

Высоцкий Виталий Евгеньевич


доктор технических наук, профессор

Назарычев Александр Николаевич


Ведущая организация - Федеральное государственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», г. Санкт-Петербург.


Защита состоится " 29 " декабря 2009 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул., 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, тел.: (846) 278-44-96, факс: (846) 278-44-00, e-mail: krotkov@samgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.


Автореферат разослан " __ " ______ 2009 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.04,

кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ


Актуальность проблемы. Оценка фактического состояния силового электрооборудования по результатам диагностических измерений является на сегодняшний день очень сложной и актуальной задачей. Большая часть электрического оборудования для генерации, передачи и распределения электроэнергии выработала свой ресурс, но продолжает эксплуатироваться, так как требуются большие финансовые средства на его замену. Соответственно с каждым годом возрастают затраты на проведение комплексных обследований и диагностики.

Надежность трансформаторного и реакторного электрооборудования (ТРЭО) электротехнических комплексов и систем (ЭТКС) во многом определяется обеспечением технической диагностики их состояния при внешних и внутренних воздействиях и оценки техниче­ского состояния (ОТС) электрооборудования.

Наличие в эксплуатации как старого в значительной мере выработавшего свой ресурс, так и нового оборудования, изготовленного с применением совре­менных технологий и материалов, приводит к снижению эффективности тради­ционных методов обеспечения нормальной работы электрооборудования.

Проблема заключается в том, что отсутствует полное представление о ха­рактере состязательных процессов между, с одной стороны, эмиссией мощ­ных электромагнитных помех (ЭМП) в основном в виде токов рабочих ре­жимов, режимов коротких замыканий и перенапряжений, воздействующих на изоляцию ТРЭО электрических сетей в целом. С другой стороны, это - физи­ческие свойства внутреннего характера и внешнего происхождения, опреде­ляющие для конкретных электроустановок стойкость их конструкций и, прежде всего, изоляции по отношению к названным ЭМП и другим физиче­ским процессам.

Качественного улучшения можно добиться только путем тщательных ис­следований, когда учитывается комплекс признаков и параметров, описы­вающих состояние ТРЭО и характер физических воздействий на изоляцию электроустановок, а также динамика изменения ее свойств по мере старения оборудования. Такой подход открывает возможность обоснованной и досто­верной ОТС и улучшения эксплуатационных свойств ТРЭО.

Анализ работы ТРЭО, и особенно тех электроустановок, которые, как уже говорилось выше, в процессе длительной эксплуатации выработали свой тех­нологический ресурс, свидетельствует о том, что для них эксплутационные затраты на ремонт, испытания и профилактическое обслуживание превыша­ют нормативы на 15 - 20% и имеют устойчивую тенденцию к увеличению.

Уровень износа электрооборудования в ЭТКС повсеместно во многих от­раслях промышленности и сельского хозяйства в стране значительно превы­шает установленный (~ 60%), а сроки и объемы его технических обслужива­нии остаются неизменными. Это приводит к еще большему числу нарушений нормальной работы электрооборудования ЭТКС и к увеличению числа и ин­тенсивности отказов в процессе его эксплуатации.

Для решения проблем обеспечения качественной и достоверной ОТС не­обходимо разработать для ТРЭО ее научные основы для широкого спектра конструкций электрооборудования ЭТКС, методов оценки и прогнозирова­ния его технических ресурсов, а также стратегии, тактики и конкретных ме­роприятий по оптимизации эксплуатации, и, прежде всего, технической ди­агностики, что является важной частью программы ресурсосбережения РФ. Сказанное выше определяет актуальность диссертационной работы.

Вышеизложенное говорит о необходимости научного обоснования и реализации современного подхода к решению задач создания условий оптимальной эксплуатации ТРЭО современных электротехнических комплексов и систем на основе концепции диагностического моделирования (ДМ). Эта концепция, основана на применении идей кибернетического моделирования, предложенных В.А. Вениковым и его учениками, для построения специфических диагностических моделей названного оборудования. Она заключается в реализации следующих положений.

1. Для реальной электроустановки ТРЭО строится диагностическая модель (ДМ) в виде системы характеристик и параметров, обеспечивающих с необходимой полнотой информацию о техническом состоянии конкретной электроустановки (ЭУ). Они получили название диагностических признаков (ДП). Характерные особенности ДМ: это - кибернетическая информационная модель, реализованная по принципу «черного ящика»; с реальным объектом имеется только информационная связь; отсутствует непосредственная связь с физическими процессами, происходящими в ЭУ; ДМ строится и работает на ретроспективной и текущей информации, что позволяет при определенных допущениях производить прогнозирование, в частности, при решении задач о ресурсах ЭУ.
   
2. Определяется состав возможных эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ) на ЭУ, их энергетические, статистические и другие характеристики.
   
3. Определяются реакции (в виде изменения диагностических признаков) ЭУ на ЭФВ, получившие название текущих мер повреждений (МП), с возможно более полным учетом предыдущих ЭФВ. Иначе говоря, это можно назвать моделированием накопления повреждений с учетом кумулятивности. Важным моментом здесь является трудноразрешимая задача об определении текущей оценки МП, которая в современных условиях в подавляющем большинстве случаев может быть найдена только приближенно.
   
4. Поскольку ЭФВ может быть разрушающим, частично разрушающим или повреждающим в рамках диагностического моделирования далее необходимо применить диагностический подход к электромагнитной совместимости (ЭМС) электроустановок ТРЭО при конкретном потоке ЭФВ. Этот подход может быть реализован двумя способами: определением предельных состояний с точки зрения классических положений ЭМС при достижении МП значений, приводящих к нарушениям ЭМС (НЭМС); определением статистических характеристик НЭМС на некоторой конкретной по возможности однородной выборке ЭУ, находящихся в близких эксплуатационных условиях; выводом о дальнейшей судьбе электроустановки.
   

Названные положения являются основой для решения важнейшей технической задачи о нахождении паспортных, гарантированных и текущих ресурсов электроустановок ТРЭО. Технической и информационной базой этих положений и задач являются данные об аварийности, повреждаемости эксплуатируемых электроустановок ТРЭО, а также результаты контроля технического состояния, разнообразных электрических и, прежде всего электродинамических испытаний.

С этой точки зрения важнейшим принципом построения диагностических моделей электроустановок ТРЭО, как показано в работах российских и зарубежных исследователей А.Н. Назарычева, В.А. Савельева, А.И. Таджибаева и др., является системное использование конечного множества мультипараметрических диагностических признаков.

Системный подход к формированию репрезентативного состава этих признаков требует проведения полномасштабных заводских и эксплуатационных испытаний электроустановок ТРЭО, тщательного анализа их повреждаемости, неукоснительного систематического изучения его технического состояния в рамках реализации современных стратегий технического обслуживания и ремонтов.

Практическим применением системы ДП является обнаружение в электроустановках ТРЭО дефектов и повреждений. Необходимо отметить, что значительная часть из них трудно диагностируются традиционными методами. Поэтому необходимы новые подходы к анализу технического состояния электроустановок и методы диагностики, не нашедшие пока отражения в руководящем документе «Объем и нормы испытаний электрооборудования» (ОНИЭ) - РД 34.45-51.300-97.

В нашей стране он является нормативно-технической основой для контроля и диагностики состояния электрооборудования генерирующих и сетевых предприятий, электростанций и подстанций и действует наряду с другими директивными документами и стандартами. Несмотря на отдельные очевидные недостатки, ОНИЭ позволяет иметь достаточно близкую к объективной картину процессов, идущих внутри эксплуатируемого оборудования и приводящих в конечном итоге к возникновению дефектов и повреждений.

Решение о выводе в ремонт и замене конкретной ЭУ является ответственной и сложной задачей, что может привести в ряде случаев к принятию ошибочных экспертных заключений в оценке его состоянии, что, в свою очередь, ведет к неоправданным финансовым потерям и издержкам, к снижению надежности схемы электроснабжения потребителей.

В качестве инструмента проверки надежности электроустановок ТРЭО и их конструкции и с целью повышения в целом надежности электроснабжения потребителей требуется проведение таких обязательных мероприятий, как заводские и эксплуатационные в процессе капитальных ремонтов испытания, электродинамические испытания и оценка состояния электроустановок ТРЭО диагностическими методами. Сущность последнего мероприятия состоит в мониторинге репрезентативного состава диагностических признаков в процессах эксплуатации при техническом обслуживании и при текущих ремонтах. При этом важнейшей составной частью содержательного обоснования принимаемых решений должна быть информация о всей предыстории конкретной электроустановки, которую необходимо фиксировать в информационном паспорте, хранящемся в ЭВМ.

Сказанное выше позволяет констатировать актуальность проблемы, которой посвящена настоящая диссертационная работа. Это неоднократно подчеркивалось на многих отечественных и зарубежных семинарах, конференциях, симпозиумах.

Целью работы является научная разработка диагностических моделей электроустановок ТРЭО и их применения для решения важных актуальных практических проблем анализа и управления потоками повреждений и дефектов, что в целом обеспечивает повышение надежности их работы.

В соответствии с этими целями ставятся и решаются следующие задачи:

• научное обоснование комплексных диагностических моделей для электроустановок ТРЭО;
  
• построение структурной схемы повреждений силовых трансформаторов на основе классификации ЭФВ и анализа аварийности мощных электроустановок ТРЭО;
  
• классификация и разработка диагностических моделей накопления дефектов, повреждений и отказов ТРЭО;
  
• разработка диагностического подхода к обоснованию оценки ресурсов электроустановок ТРЭО;
  
• разработка методов оценки технического состояния и структурного подхода к принятию технических решений на основе анализа аварийности и опыта эксплуатации изношенного ТРЭО;
  
• научно-практическое обоснование оптимизации эксплуатации ТРЭО в современных условиях, а также разработка рекомендаций по организации в современных условиях полноценных электродинамических испытаний как наиболее существенной части оценки технического состояния.
  

Основные методы научных исследований. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического и физического моделирования ЭО для оценки ТС, их свойств и режимов, статических и динамических характеристик, базирующиеся на законах электротехники, теории вероятности. Использовался физико-математический аппарат исследований и построения диагностических моделей технического состояние ЭУ ТРЭО, научное обоснование методик проведения натурных экспериментов, электрических и электродинамических испытаний, принятых допущений и репрезентативной оценки погрешностей результатов, которое подтверждается удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных.

Исследования проверены аналитическими методами, методами моделирования на ЭВМ, на базе экспериментов в лабораторных условиях и на натурных образцах на высоковольтном сетевом испытательном стенде. Обоснованность и достоверность научных положений подтверждены экспериментальными исследованиями, опытом эксплуатации и методами оценки технического состояния ТРЭО.

Основные научные результаты и их новизна состоит в следующем.

1. Разработаны диагностические модели для оценки технического состояния электроустановок ТРЭО.
   
2. На основе анализа аварийности построена структурная схема повреждений мощных электроустановок ТРЭО на примере силовых трансформаторов.
   
3. Разработаны диагностические модели накопления дефектов, повреждений и отказов ТРЭО.
   
4. Разработан диагностический подход к обоснованию оценки ресурсов электроустановок ТРЭО.
   
5. Предложены методы оценки технического состояния и структурного подхода к принятию технических решений при эксплуатации изношенного ТРЭО.
   

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработаны теоретические и методические вопросы, которые подтверждены экспериментально и использованы в ходе технического обследования и диагностики 30 трансформаторов и реакторов при испытаниях на стойкость токам КЗ на Мощном испытательном стенде (МИС) в г. Тольятти, а также при обследовании более 110 трансформаторов в эксплуатации в энергосистемах.

2. Проведены исследования и расчеты величин установившегося и апериодического токов КЗ, которые показали возможность электродинамических испытаний на стойкость к токам КЗ на подстанциях 750 кВ «Белый Раст» и «Опытная».

3. На основе испытаний реакторов в различных режимах (испытания на нагрев, акустические испытания, испытания на стойкость при коротком замыкании - коммутационный режим КЗ и режим динамического тока КЗ) разработаны диагностические модели теплового состояния ТРЭО.

4. Получены практические данные о статике и динамике признаков оценки состояния, учитывающие условия функционирования ТРЭО, в ходе технического обследования и диагностики состояния ЭО электрических станций и подстанций методами контроля механического состояния обмоток, что позволило обнаружить различные повреждения у 8 силовых трансформаторов: ТРДН-32000/110, ТРДН-25000/110 и ТДН-15000/110 и др.

5. Разработаны и внедрены современные способы оценки ТС, применяемые при диагностике ТРЭО, получены практические результаты и выявлены важные закономерности при испытаниях на стойкость токам КЗ.

6. По результатам работы выпущено более 52 отчетов и протоколов измерений, даны рекомендации для заводов-изготовителей по усилению конструкции обмоток; трансформаторы в эксплуатации с имеющимися повреждениями выведены из работы, сделаны заключения о ремонтопригодности и произведен их капитальный ремонт, что позволило избежать ущерба от перерывов электроснабжения потребителей.

7. Методы математической обработки результатов диагностических измерений и технические рекомендации, основанные на включенных в диссертацию разработках автора, внедрены на энергообъектах ОАО "Самараэнерго", на Жигулевской ГЭС, в энергопроизводстве ОАО АвтоВАЗ, на ОАО “Оскольский электрометаллургический комбинат”, в ОАО "Татэнерго" и на других электроэнергетических предприятиях.

8. Комплекс диагностических моделей силового ТРЭО внедрен в учебный процесс Самарского государственного технического университета, Санкт-Петербургского энергетического института повышения квалификации, института повышения квалификации госслужащих (г. Москва).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Комплексные диагностические модели для силовых электроустановок ТРЭО.
   
2. Структурная схема повреждений силовых трансформаторов на основе классификации ЭФВ и анализа аварийности силовых электроустановок ТРЭО.
   
3. Диагностические модели накопления дефектов, повреждений, отказов ТРЭО.
   
4. Диагностическая модель для оценки ресурсов электроустановок ТРЭО.
   
5. Комплекс методов оценки технического состояния для диагностики ТРЭО.
   
6. Практическая оценка и закономерности изменения ресурсов, конструкции ТРЭО при испытаниях на стойкость токам КЗ.
   

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных и российских конференциях, семинарах и научно-технических совещаниях, на постоянно действующем семинаре «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», 2005 г. (г. Псков); на заседании коллоквиума СИГРЭ комитета 12 по трансформаторам (Венгрия, Будапешт, 1999 г.); рабочей группы СИГРЭ 33.03 по методам и средствам измерений высоковольтного ЭО (Италия, Падуя, 1995 г.); на 9-й Международной конференции по энергетическим системам (Санкт-Петербург 1994г.); на Международном Симпозиуме "Электротехника-2010 год. Наука, производство, рынок" (Москва, ВЭИ, 1995 г., 1997 г., 1999 г., 2003 г., 2004 г., 2006г.); на научно-техническом семинаре “Современные методы и средства оценки технического состояния и продления сроков эксплуатации высоковольтного оборудования энергосистем” (ВНИИЭ, Москва, 2001 г., 2003 г.); на 2-м научно-техническом семинаре “Качество производства и надежность эксплуатации маслонаполненного оборудования” (ПЭИПК, С.-Петербург, 2002 г.); на научно-техническом семинаре ”Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования” (ПЭИПК, С.-Петербург, 2002г., 2004 г., 2006г. ); на заседаниях Совета по диагностике Уралэнерго (г. Екатеринбург, 2002г., Москва, 2008г.); на рабочей группе СИГРЭ по современным трансформаторам ARWtr-2004 (г. Виго, Испания, 2004г.); на заседании коллоквиума СИГРЭ комитета А2 по трансформаторам (Москва, 2005 г.); на международном электроэнергетическом семинаре Исполнительного комитета Электроэнергетического Совета СНГ «Современные методы оценки технического состояния и способы повышения надежности электрических сетей и энергосистем» (Москва, 2006 г.); на Международном Симпозиуме "Электротехника-2030 год. Перспективные технологии электроэнергетики" (Москва, ВЭИ, 2007г., 2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 114 работ, из которых 88 приведены в библиографическом списке автореферата (26 по списку ВАК); получено 6 авторских свидетельств и патентов; выпущено более 52 научно-технических отчетов и протоколов измерений по итогам выполнения в рамках государственных научно-исследовательских программ, утвержденных и выполняемых совместно Министерством энергетики и электрификации, Министерством электротехническом промышленности и целым рядом научно-исследовательских институтов, в том числе ВЭИ им. В.И.Ленина, ВНИИЭ, НИИПТ и др.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, общим объемом 428 стр.


Основное содержание работы

Во введении даны определения актуальности и цели настоящей работы. На этой основе сформулированы задачи исследования и даны сведения о ее научной новизне и практической значимости. Кроме того, приводятся аргументы, подтверждающие достоверность результатов выполненных исследований, краткая информация об объектах исследования, использованных для этого методах и организациях, в которых происходило внедрение результатов исследований. Также приведены сведения об апробации работы на международных и всероссийских конференциях и семинарах, публикациях, в которых освещено содержание работы по существу и структуре диссертации.

В настоящее время в электроэнергетике и электротехнике большое внимание уделяется согласованию условий нормальной безаварийной и эффективной работы электроустановок, производящих, передающих, преобразующих и потребляющих электроэнергию при её надлежащем качестве. В процессе работы ЭУ подвергаются многочисленным внешним и внутренним электромагнитным и другим эксплуатационным физическим воздействиям (ЭФВ), а также сами непосредственным образом воздействуют на окружающие объекты и среду. Такими ЭУ и являются силовые и измерительные трансформаторы и реакторы, которые часто объединяют общим названием трансформаторно-реакторное электрооборудование.

В процессе эксплуатации названные ЭФВ проявляются в виде электромагнитных, механических, тепловых и других стационарных и ударных нагрузок, которые постоянно ухудшают эксплуатационные свойства ТРЭО и снижают его стойкость к ним, а также электрические, механические, термические характеристики и других технико – экономические показатели.

Вопросы эксплуатации, ресурсов, возникновения дефектов и повреждений ТРЭО рассматриваются на основе концепции диагностического моделирования. Диагностическая модель для электроустановки ТРЭО строится в виде системы характеристик и параметров, обеспечивающих с необходимой полнотой информацию о техническом состоянии конкретной электроустановки, и которые получили название диагностических признаков. Это - кибернетическая информационная модель, реализованная по принципу «черного ящика», с объектом, например с трансформатором, имеется только информационная связь, отсутствует непосредственная связь с физическими процессами, происходящими в ЭУ.

Вследствие растущей суммарной мощности одним из перспективных направлений снижения затрат от недоотпуска электроэнергии потребителям и повышения эффективности работы электросетевых предприятий является создание условий для безотказного функционирования силовых и измерительных трансформаторов (СТ и ИТ) и реакторов (РР). Для этого необходимо обеспечение их электромагнитной совместимости (ЭМС) с интенсивными внешними и внутренними электромагнитными воздействиями. Прежде всего, это относится к грозовым и коммутационным перенапряжениям, как наиболее существенным электромагнитным воздействиям, требующим наиболее пристального внимания.