Повышение эксплуатационных ресурсов силовых трансформаторов при обеспечении электромагнитной совместимости по перенапряжениям

Вид материала

Автореферат

Содержание Салтыков Валентин Михайлович Кузнецов Анатолий Викторович Масляницын Александр Петрович Общая характеристика диссертационной работы Краткое содержание работы N – интенсивность грозовой деятельности для данной области (количество ударов молнии за один год в один квадратный километр земн R определяется выражением: , (8) где S S = 4, если уровень помехоустойчивости меньше U С = 1, при низкой стоимости оборудования (стоимость оборудования меньше 45 тыс. руб.); С I = 1, при отсутствии нарушений в работе ЭО; I Рис. 10. Примеры выполнения каскадных схем защиты ЭО Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

Подобный материал:

• Инструкция по охране труда № при монтаже силовых трансформаторов, 366.89kb.
• Vii международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 50.03kb.
• Некоторые вопросы электродинамических испытаний мощных силовых трансформаторов на стойкость, 73.29kb.
• Установка нита 2721 – широкие возможности в обработке масла и твёрдой изоляции силовых, 79.01kb.
• Повышение эксплуатационной надежности электротехнических комплексов нефтедобычи с погружными, 312.89kb.
• Устойчивость к радиочастотному, 635.67kb.
• Обеспечение электромагнитной совместимости систем электроснабжения нефтегазового комплекса, 331.23kb.
• Положение об экспертной системе контроля и оценки состояния и условий эксплуатации, 534.73kb.
• Сокращение продолжительности ремонта основного оборудования сетей, 42.78kb.
• Постановлением Госстандарта России от 14. 01. 92 №12 Настоящие методические указания, 769.54kb.

На правах рукописи


СУЛЕЙМАНОВА Лолита Меджидовна


ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ

СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

ПО ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯМ


Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Самара – 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре “Автоматизированные электроэнергетические системы”.

Научный руководитель:	–	доктор технических наук, доцент Салтыков Валентин Михайлович
Официальные оппоненты:	–	доктор технических наук, профессор Кузнецов Анатолий Викторович
	–	кандидат технических наук, доцент Масляницын Александр Петрович
Ведущее предприятие:	–	Пензенский государственный университет

Защита состоится 25 декабря 2006 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Молодогвардейская ул., д. 244, Главный корпус, ауд. 200.


С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке

СамГТУ или на сайте www.samgtu.ru/disertac/index.php


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: aees@rambler.ru.


Автореферат разослан 24 ноября 2006 г.


Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04,

кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ


Актуальность темы. В настоящее время в электроэнергетике и электротехнике большое внимание уделяется согласованию условий нормальной безаварийной и эффективной работы электроустановок (ЭУ), производящих, передающих, преобразующих и потребляющих электроэнергию при её надлежащем качестве. В процессе работы ЭУ подвергаются многочисленным внешним и внутренним электромагнитным воздействиям (ЭМВ), а также сами воздействуют на окружающие объекты и среду. Такими наиболее массовыми электроустановками являются силовые трансформаторы (СТ), которые в процессе эксплуатации работают, как правило, в разнообразных условиях под воздействием электромагнитных, механических, тепловых и других стационарных и ударных нагрузок, во влажных, загрязненных и агрессивных средах. Это приводит с течением времени к ухудшению электрических, механических, термических характеристик и других технико–экономических показателей. Поэтому силовые трансформаторы, хотя и являются в эксплуатации весьма надёжными аппаратами благодаря отсутствию вращающихся частей, но, тем не менее, неисправности и аварии для них не являются редкостью и оказывают большое влияние на надёжность работы энергосистемы.

Вследствие растущей суммарной мощности СТ одним из перспективных направлений повышения надежности, снижения затрат от недоотпуска электроэнергии потребителям и повышения эффективности работы электросетевых предприятий, главных понизительных подстанций, систем электроснабжения промышленных предприятий является создание условий для безотказного функционирования силовых трансформаторов. Для этого необходимо повышение эксплуатационных ресурсов силовых трансформаторов с учётом интенсивных электромагнитных воздействий. Прежде всего, это относится к грозовым и коммутационным перенапряжениям, как наиболее существенным ЭМВ, требующим пристального внимания.

Актуальность решения данной задачи определяется значительным ростом количества морально и физически устаревшего силового электрооборудования. Старение и износ основного электрооборудования ЭС и СЭС (~60%) вызваны наметившейся тенденцией к сокращению объёмов финансирования текущих и капитальных ремонтов, а также его реновации. Поэтому с помощью внешних и внутренних средств и мероприятий интенсивность и энергетические характеристики взаимодействия среды и силового электрооборудования электрических сетей должны быть сбалансированы до уровней их технологической, биологической и других видов стойкости к взаимным ЭМВ, то есть взаимной совместимости, когда их влияние друг на друга по энергетическим параметрам не превосходит границ совместного нормального функционирования.

Для решения проблем смещения граничных значений критериев электромагнитной совместимости (ЭМС) в сторону сокращения областей нормального функционирования СТ и взаимодействующих систем и объектов необходимо разработать методику определения технологического ресурса силовых трансформаторов и методику обеспечения их ЭМС для продления срока эксплуатации, в виде защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений. Это является составной частью программы ресурсосбережения РФ. Сказанное выше определяет актуальность диссертационной работы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является повышение эксплуатационных ресурсов силовых трансформаторов распределительных сетей при обеспечении электромагнитной совместимости по перенапряжениям и разработка рекомендаций по управлению ресурсами трансформаторного парка.

Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие задачи.

Научные:

- выполнение анализа аварийности силовых трансформаторов 0,22 – 35 кВ и построение структурной схемы повреждений силовых трансформаторов на основе классификации ЭМВ и, в частности, причин возникновения перенапряжений;

- разработка многостадийной модели отказов СТ на основе анализа факторов массива силовых трансформаторов распределительных устройств электрических сетей и систем электроснабжения;

- разработка математической модели обеспечения электромагнитной совместимости силовых трансформаторов по интенсивности отказов и электромагнитному влиянию перенапряжений.

Практические:

- разработка методики оценки ресурсов силовых трансформаторов по ЭМВ в виде перенапряжений;

- разработка структурной схемы принятия технических решений при использовании парка устаревших трансформаторов;

- разработка методики применения ОПН для ограничения перенапряжений при обеспечении ЭМС силовых трансформаторов.

Объектом исследования являются силовые трансформаторы, а также нелинейные ограничители перенапряжений, как наиболее эффективные устройства защиты от перенапряжений в электрических сетях.

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы математического анализа, математического моделирования, теории вероятностей и статистической обработки информации. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Многостадийная модель отказов СТ и нарушений по перенапряжениям, построенная на основе структурированного анализа массива силовых трансформаторов распределительных сетей с учётом обеспечения ЭМС.
  
• Структурная схема видов повреждений и методика обследования силовых трансформаторов, позволяющая давать рекомендации по техническому обслуживанию с учётом текущего эксплуатационного ресурса.
  
• Методика применения каскадных схем ОПН в сетях 0,22   35 кВ для ограничения перенапряжений и обеспечения ЭМС силовых трансформаторов распределительных сетей.
  

Научная новизна.

• На основании анализа аварийности силовых трансформаторов и классификации перенапряжений возникающих в электрических сетях в результате внешних или внутренних электромагнитных процессов выполнена статистическая обработка полученного материала и выделены наиболее опасные для СТ виды перенапряжений.
  
• Получены вероятностные математические многостадийные модели отказов СТ, позволяющие получить вероятности отказов и, соответственно вероятности безотказной работы, на любом этапе текущего эксплуатационного ресурса массива СТ.
  
• Разработана методика обследования силовых трансформаторов и принятия технических решений при использовании парка устаревших трансформаторов.
  
• Разработана методика применения ОПН для ограничения перенапряжений в сетях 0,22 – 35 кВ при обеспечении ЭМС силовых трансформаторов.
  

Практическая ценность.

• Разработанная структурная схема классификации причин повреждений СТ на основе анализа аварийности СТ 0,22 – 35 кВ, в частности перенапряжений, предложена предприятиям электрических сетей для разработки мероприятий, обеспечивающих надежную эксплуатацию СТ в условиях интенсивных коммутационных и атмосферных электромагнитных воздействий.
  
• На основе статистических исследований установлены плотности вероятности и функции распределений для генеральной совокупности отказов наиболее часто встречающихся типов СТ мощностью до 1000 кВ·А, которые предложены предприятиям электрических сетей для прогнозирования эксплуатационного ресурса их трансформаторных хозяйств.
  
• Структурная схема обследования парка устаревших трансформаторов позволяет определять техническое состояние трансформаторов на основе использования информации разных уровней. Используется на предприятиях ЗАО «Проект - Электро» и ОАО НК «Роснефть».
  
• Разработанная методика применения ОПН для ограничения перенапряжений в сетях 0,22 – 35 кВ используется ЗАО «Проект - Электро» и ОАО НК «Роснефть» для формирования и оптимизации системы технического обслуживания, ремонта и руководящих документов о порядке продления срока эксплуатации трансформаторного электрооборудования сверх амортизационного ресурса.
  

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на X-ой и XI-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2004, 2005); IV-ой Всероссийской научно- практической конференции "Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии" (Пенза, 2004); на V-ой Международной научно-технической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, 2005); I-ой Международной научно – практической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективное использование. Собственные источники энергии» (Диплом лауреата в номинации «Лучший доклад») (Пермь, 2005).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации используются при составлении планов технического обслуживания и ремонтов СТ в условиях их эксплуатации на предприятиях электрических сетей ЗАО «Проект - Электро» и ОАО НК «Роснефть».

Разработанные методы прогнозирования и расчета эксплуатационного ресурса силовых трансформаторов электрических сетей используются в учебном процессе на кафедре “Автоматизированные электроэнергетические системы” Самарского государственного технического университета.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 6 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 3 приложений, содержит 141 стр. основного текста, списка использованной литературы из 113 наименований.


КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении приводится анализ современного состояния вопросов обеспечения ЭМС силового электрооборудования при электромагнитных воздействиях. Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований. Показана научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.


Первая глава посвящена разработке положений и методов анализа ЭМВ на силовые трансформаторы, возникающих в ЭС и СЭС 0,22 – 35 кВ в составе структурной схемы повреждений и изменений сроков службы парка силовых трансформаторов энергетических предприятий.

Основные положения анализа ЭМВ базируются на основе многочисленных исследований таких отечественных и зарубежных учёных как: И.А. Биргер, П.П. Вагин, И.А. Глебов, В.Г. Гольдштейн, Я.Б. Данилевич, Г.А. Евдокунин, В.В. Клюев, Ф.Л. Коган, Б.И. Кудрин, Г.С.Кучинский, Ю.Н. Львов, А.В. Мозгалевский, А.Г. Овсянников, Г.Я. Пархоменко, Л.М. Рыбаков, В.А. Савельев, В.М. Салтыков, В.П. Степанов, А.И. Таджибаев, Н.Н. Тиходеев, Ф.Х. Халилов, А.К. Черновец, и др. Важную роль в становлении и развитии систем технического обслуживания и ремонта, неотъемлемой частью которых является оценка технического состояния ЭУ, с учётом старения СТ, сыграли работы Ф. Байхельта, Е.Ю. Барзиловича, В.Ф. Воскобоева, Е.К. Иноземцева, В. Смита, Р.И. Соколова и других. Развитию теории и методов обеспечения надежности, связи

Рис. 1. Структурная схема видов повреждений СТ, включая ЭМВ представленные перенапряжениями

проблем обеспечения надежности с системами оценки технических и режимных состояний ЭУ посвящены работы Н.И. Воропая, Ю.Б. Гука, В.А. Непомнящего, Ю.H. Руденко, М.Н. Розанова, Ю.А. Фокина и других.

Так как повреждаемость трансформаторов непосредственно влияет на надежность энергосистемы в целом, понятно особое внимание к поддержанию их работоспособности. Этого требует и статистика повреждений: аварии по вине трансформаторов в электрических сетях вызывают 80 – 90 % недоотпуска электроэнергии.

Надежность работы трансформаторного оборудования непосредственно связана с его сроком службы. От продолжительности эксплуатации трансформатора зависят допустимые значения воздействующих режимных факторов и их количество.

Установлено, что ЭМВ возникают в результате случайного или запланированного электромагнитного взаимодействия СТ с внешними источниками энергии или при перераспределении её внутренних запасов в ЭС и СЭС, что часто нарушает условия нормальной работы и функционирования, как электрооборудования, так и окружающей среды, то есть электромагнитную совместимость.

С целью решения вопросов обеспечения ЭМС СТ получена структурная схема видов повреждений силовых трансформаторов, представленная на рис.1. Схема позволяет выявить основные и косвенные причины повреждений, обозначить технические мероприятия по достижению требуемого уровня ЭМС и, соответственно, повысить наработку на отказ. Повышение надежности и экономичности эксплуатируемого оборудования необходимо не только из-за растущей мощности энергообъединений и усиления конкурентной борьбы между энергокомпаниями, но и вследствие спада темпов ввода в эксплуатацию нового электрооборудования за последние 10 лет, что, в частности, отражается в структуре обновления парка СТ в ЗАО «СГЭС» (рис.2).



Рис. 2. Обновление парка трансформаторов в ЗАО «СГЭС» с 1930 года


Определяющим снижение надёжности эксплуатируемых ЭУ является увеличение срока эксплуатации («возрастного состава»), подтверждаемого анализом например, анализом распределения по срокам службы СТ энергетических предприятий ОАО «Волжская межрегиональная распределительная компания» и ЗАО «Самарские городские электрические сети» как показано на рис. 3.




Рис.3. Распределение по срокам службы силовых трансформаторов

энергетических предприятий ОАО «ВоМРК»,

ЗАО «СГЭС» (на 2005 год)


Приведенные цифры показывают, что срок службы около 70 % трансформаторов превысил 20 лет, а около 40 % трансформаторов – 30 лет. Если не будет проводиться замена трансформаторов на новые, к 2007 г. около половины трансформаторов превысит 30-летний срок службы.

Важность решения задачи повышения эксплуатационных ресурсов СТ определяется в последнее время значительным ростом количества морально и физически устаревшего оборудования. Старение и износ трансформаторного электрооборудования ЭС и систем ЭСН вызваны наметившейся тенденцией к сокращению объёмов финансирования текущих и капитальных ремонтов, а также его реновации. Общей закономерностью при анализе ЭМС является смещение граничных значений (критериев ЭМС) в сторону сокращения областей нормального функционирования ЭУ и взаимодействующих систем и объектов.

Показано, что для повышения ресурсов силовых трансформаторов при воздействии внешних и внутренних электромагнитных помех необходимо применять комплекс мероприятий как технического, так и организационно – технического характера, направленных на ограничение до приемлемого уровня (с учетом требуемой надежности и экономической целесообразности) параметров рассматриваемых электромагнитных помех, вызванных атмосферными и коммутационными процессами, а также определение условий применения ОПН, как наиболее эффективных устройств защиты СТ.

Вторая глава посвящена анализу аварийности силовых трансформаторов предприятий электрических сетей 0,22 – 35 кВ по причине воздействия на них внутренних и внешних перенапряжений. Основные причины возникновения перенапряжений в электрических сетях можно представить в виде блок – схемы (рис. 4).

Анализ опыта эксплуатации сетей 0,22 – 35 кВ показывает, что на подстанциях имеет место достаточно высокая аварийность в результате грозовых перенапряжений. Она главным образом приходится на долю силовых трансформаторов. Для анализа этой аварийности обобщен опыт эксплуатации большого числа распределительных сетей Российской Федерации. Наблюдениями были охвачены более 5000 подстанций 6 кВ, 3000 подстанций 10 кВ и 1800 подстанций 35 кВ. Приведенный к 50 грозовым часам объем информации составил 102700 лет – подстанций в сетях 6 кВ, 47000 лет – подстанций в сетях 10 кВ и 13522 лет – подстанций в сетях 35 кВ. За это время зарегистрировано 718, 270 и 23 случая повреждения силовых трансформаторов 6, 10 и 35 кВ соответственно.

Рис.4. Блок – схема причин возникновения перенапряжений в электрических сетях

Большинство (до 85%) грозовых повреждений трансформаторов имеет место на подстанциях с отступлениями от нормальных схем грозозащиты, рекомендуемых Руководящими указаниями по защите от перенапряжений и Правилами устройств электроустановок.

Получено, что из 100 установленных в среднем около 10 трансформаторов 0,22 – 35 кВ повреждается из-за грозовых перенапряжений.

Проведён анализ грозовой активности по Поволжским АО-энерго в 2001 – 2005 г.г. Информация была собрана и обобщена по Самарской, Ульяновской, Саратовской областям, Татарстану, Мордовии и Чувашии. На территории Поволжского региона в год в среднем метеослужбами и подразделениями АО-энерго фиксируется 53 – 67 грозовых часов. Грозовые повреждения силовых трансформаторов распределительных сетей 0,22 – 35 кВ имевшим место за 5 лет в виде обобщенных статистических данных приведены в табл. 1.


Таблица 1

Грозовые повреждения силовых трансформаторов распределительных

сетей 0,22 – 35 кВ Поволжского региона за 5 лет

Регионы Поволжья	Повреждения от числа установленных трансформаторов, %
Самарская область	7,5
Ульяновская область	10,8
Саратовская область	9,5
Татарстан	11,2
Мордовия	10,9
Чувашия	10,7

На основе опыта эксплуатации предприятия распределительных электрических сетей за период 2000 – 2003 г.г. выявлено, что грозовые перенапряжения остаются одной из основных причин аварий силовых трансформаторов. Аварийность другого электрооборудования вследствие грозовых перенапряжений в два – три раза меньше, чем аварийность силовых трансформаторов, что отражено на рис. 5.

	Силовые трансформаторы (24,40%) Выключатели (1,50%) Разъединители, предохранители (29,30%) ИТТ, ИТН (0,95%) Изоляторы (17,00%) Вентильные разрядники, ОПН (24,00%) Прочее (2,85%)
Рис. 5. Классификация подстанционного электрооборудования 0,22 –35 кВ повреждённого атмосферными перенапряжениями

Заметную долю (~14,8%) в общем объёме повреждений СТ составляют грозовые и коммутационные повреждения, что подтверждается анализом числа и характера повреждений трансформаторов 0,22 – 35 кВ на основе аудита предприятия «ВоМРК» за период 1995 – 2004 гг., результаты которого представлены на рис. 6.

	Не качественный ремонт и заводские дефекты (5,80%) Грозовые и коммутационные повреждения (14,80%) Длительная перегрузка (5,60%) Выгорание токоведущих шпилек и пробой фарфоровой изоляции (14,40%) Неисправность переключателей (2,70%) Старение изоляции (6,20%) Увлажнение изоляции обмоток (7,30%) Отказы защиты (24,70%) Прочие невыясненные причины (28,5%)
Рис. 6. Классификация причин повреждения силовых трансформаторов на 1995 – 2004 года в ПЭС ВоМРК 0,22 – 35 кВ

Выявлено, что внутренние перенапряжения особенно опасны для изоляционных конструкций СТ, притом большинство повреждений их изоляции возникает в двух случаях: при замыканиях на землю в сети с последующим пробоем в обмотке и при замыкании на землю в обмотке с последующим пробоем в этой же обмотке. Приблизительно в 68 – 74% случаев повреждения вызываются пробоем витковой, междувитковой или междуфазовой изоляции обмоток трансформаторов.

Запасы электрической прочности изоляции СТ ограничиваются допустимыми кратностями атмосферных и внутренних перенапряжений.

При этом допустимое импульсное напряжение на изоляции при грозовых перенапряжениях определено из соотношения:

U_доп=1,1∙(U_гп – U_н/2), (1)

где U_гп – нормированное испытательное напряжение грозовых импульсов трансформаторов; U_н – номинальное напряжение (класс напряжения) трансформаторов.

Допустимая величина внутренних перенапряжений определена по формуле:

U_доп = δ_вп ∙К_вп ∙ U_и; (2)

где δ_вп =1,3 – коэффициент импульса при внутренних перенапряжениях для класса напряжения 0,22 – 35 кВ; К_вп = 0,9 – коэффициент кумулятивности; U_и – испытательное напряжение рабочей частоты.

Силовые трансформаторы 0,22 – 35 кВ с нормальной изоляцией по внутренним и грозовым перенапряжениям имеют достаточно высокие запасы по допустимым воздействиям (более 5,0 по грозовым и 4,3 – по внутренним перенапряжениям). В процессе эксплуатации прочность изоляции трансформаторов снижается. Через несколько лет после ввода в эксплуатацию электроустановки электрическая прочность снижается примерно на 30 – 35%.

Анализ аварийности СТ предприятий электрических сетей 0,22 – 35 кВ, по причине внешних и внутренних перенапряжений показывает, что защита от них несовершенна и поэтому целесообразна разработка и внедрение более современных мер защиты силовых трансформаторов от атмосферных, коммутационных, дуговых, феррорезонансных и др. перенапряжений. Одновременно необходимо совершенствование технических мероприятий по защите трансформаторного электрооборудования электрических сетей.

В третьей главе построена многостадийная модель накопления повреждений и проведен прогностический анализ ресурсов СТ, на основании которого выявлены основные периоды и интенсивность отказов трансформаторного электрооборудования, а также, в целях повышения эксплуатационных ресурсов СТ, определены временные интервалы выполнения условий обеспечения ЭМС и даны рекомендации по ограничению сроков службы.

Результаты данной главы определили организационно-технические мероприятия, направленные на повышение наработки на отказ и снижение количества отказов СТ в предприятиях электрических сетей.

Исследования статистических данных эксплуатации СТ, представленных в предыдущей главе, подтверждают их значительный износ и, как следствие, уменьшение остаточного ресурса.

Для анализа использованы статистические данные более чем за 45-летний срок эксплуатации по предприятию ЗАО «СГЭС». Для выявления параметров распределения данных по отказам СТ были определены основные характеристики данных с их графическим представлением. При обработке статистическими методами вычислялись для времени безотказной работы СТ: математическое ожидание, дисперсия, среднее квадратичное отклонение (СКО). Проводился анализ однородности исходного статистического материала с целью объединения объема информации в одну генеральную совокупность для проведения дальнейших исследований, определения резко выделяющихся наблюдений, доверительных интервалов значений показателя надежности с доверительной вероятностью 0,95. Для обработки статистического материала применялись статистические пакеты Microsoft Excel, MathCAD. Для описания статистических данных использовались: закон распределения Вейбулла и равномерный закон распределения.

На рис. 7 и 8 представлены гистограмма, аппроксимирующая плотность вероятности (3), эмпирическая и теоретическая функция распределения отказов почти четырёхсот силовых трансформаторов мощностью до 1000 кВА по статистическим данным ЗАО «СГЭС».

(3)

Получено, что для трёх интервалов ресурсов (I – приработочный, II   нормальной эксплуатации, III   деградационный) наработка на отказ СТ описывается распределением Вейбулла с параметрами α₁ = 0,1598 и δ₁ = 0,998 на интервале 0…12 лет, на интервале 23…40 лет   также распределением Вейбулла, с параметрами α₃ = 0,025·10^-9 и δ₃ = 6,5485, а на промежуточном интервале 12…23 – равномерным законом распределения с коэффициентом а = 0,0099.

Рис. 7. Гистограмма и плотность вероятности распределения на отказ СТ до 1000 МВ∙А

Рис. 8. Вероятностная функция распределения на отказ СТ до 1000 кВ∙А (1 – эмпирическая кривая распределения вероятности отказов; 2 – теоретическая кривая распределения отказов; 3   теоретическая кривая распределения вероятности безотказной работы СТ)

Проверка гипотезы о аппроксимирующих законах распределения по критерию χ² – Пирсона показала, что эмпирические и теоретические частоты отличаются незначительно и, с доверительной вероятностью не ниже 0,95 по критерию согласия χ² – Пирсона, наработка на отказ анализируемого массива СТ описывается двумя законами распределения по выражениям с плотностью вероятностей (3), представляя собой многостадийную модель накопления повреждений.

Среднее время безотказной работы СТ определено как математическое ожидание:

(4)

На основе проведенного анализа и из условия превышения уровня ЭМС с граничной вероятностью E_X, равной 0,05; 0,02; 0,01 (ГОСТ 29280-92 или МЭК 1000-4-91) предложена косвенная оценка предельно допустимой нормы эксплуатационного ресурса массива СТ t в виде численного решения уравнений (5). Ввиду низкой надежности массива СТ в период деградации добавлено значение E_X = 0,2.

(5)

где P(t)= 1 - F(t) – вероятность безотказной работы, n_i – количество отказов на каждом из 3-х интервалов, N – общее число отказов.

Полученные результаты для трех интервалов времени работы СТ сведены в табл.2.

Таблица 2

Предельно допустимые нормы эксплуатационного ресурса массива СТ

Интервал	I			II			III
ЕX	0,05	0,02	0,01	0,05	0,02	0,01	0,2
t, лет	8,44	10,38	11,19	17,90	20,93	21,94	35,98

Полученная функция распределения (3) позволяет определить интенсивность отказов (6) по выделенным интервалам в условиях эксплуатации массива силовых трансформаторов (рис. 15, кривая 1):


. (6)


При анализе вероятностной характеристики интенсивности отказов СТ до 1000 кВ·А можно дать рекомендацию о ограничении эксплуатации СТ сроком, когда на интервале деградации интенсивность отказов не будет превышать интенсивность отказов периода приработки. Тогда максимальный срок эксплуатации СТ будет ограничен 30,97 годами с целью повышения надёжности работы и обновления эксплуатируемого парка трансформаторов.

Таким образом, уровень ЭМС для СТ ввиду значительных сроков службы нельзя установить непосредственной оценкой. Ее можно определить приближенно директивно установленной величиной допустимой кратности перенапряжений, которая будет рассмотрена в пятой главе.

Для поддержания силовых трансформаторов в работоспособном состоянии, предупреждения отказов и преждевременного износа требуется выполнение профилактических мероприятий по техническому обслуживанию, диагностированию, ремонту и по управлению режимами СТ. Именно для решения этого вопроса и была разработана структурная схема оценки и прогностического анализа состояния эксплуатируемого оборудования (рис. 9), а также новых принципов организации его технического обслуживания и модернизации.





Рис. 9. Структурная схема обследования силовых трансформаторов.

Структурная схема обследования парка устаревших трансформаторов имеет модульную структуру, которая позволяет устанавливать глубину обследования в зависимости от особенностей требований предприятия и имеющихся у него финансовых средств. Необходимые оценки могут формироваться поэтапно, начиная с общего обследования трансформаторного хозяйства (этап 1) и выработки стандартных оценок (этап 2) и заканчивая детальным выборочным оцениванием на основе использования новейших методов анализа (этап 3).

Данная процедура трехэтапной оценки имеет свою высокую экономическую эффективность при определении технического состояния трансформаторов на основе использования информации разных уровней. Выяснив текущее состояние устройства, можно провести анализ его характеристик применительно как к текущему, так и к будущему режиму эксплуатации, с тем, чтобы определить уровень его работоспособности и риска, причем сделать это для каждого трансформатора, используемого данной системой энергоснабжения. Зная текущее состояние устройства, можно разработать рекомендации по его техническому обслуживанию или повышению уровня технического состояния. Далее можно составить перечень необходимых работ и их очередность, в котором будет подробно расписано, как следует поступить с каждым трансформатором.

В четвертой главе на основе классификации выявленных причин нарушения ЭМС разработана методика применения ОПН направленные на ограничение до приемлемого уровня (с учетом требуемой надежности и экономической целесообразности) перенапряжений при обеспечении ЭМС силовых трансформаторов распределительных сетей со стороны низкого напряжения 0,22 – 0,38 кВ. В качестве основного устройства защиты от перенапряжений, по результатам анализа параметров различных типов защитных устройств, выбраны оксидно-цинковые нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН).

С одной стороны оценивался риск поражения молнией наземных объектов и возникновение грозовых перенапряжений, с другой стороны, вред который эти перенапряжения могут причинить СТ и электрооборудованию потребителей.

Оценка осуществляется на основе расчёта параметра Е, учитывающего вероятность возникновения перенапряжений, в виде опасных импульсных электромагнитных воздействий (ИЭМВ), в месте расположения защищаемого оборудования и параметра R, учитывающего ущерб от повреждения защищаемого оборудования в результате воздействия ИЭМВ.

Риск поражения молнией объекта, при питании по нескольким линиям, определяется по формуле:

(7)

где N – интенсивность грозовой деятельности для данной области (количество ударов молнии за один год в один квадратный километр земной поверхности); n – количество линий низкого напряжения, входящих в здание; k_HH – коэффициент длины линии низкого напряжения. Для практических расчетов значение k_HH принимается равным длине линий низкого напряжения, выраженной в километрах. Если длина линий низкого напряжения превышает 500 м, то значение коэффициента k_HH принимается равным 0,5; k_ВH – параметр, зависящий от сети высокого напряжения, питающей трансформатор 6-10/0,22 кВ. Для практических расчетов принимается равным 1, если питание ТП осуществляется по воздушной линии, и 0, если питание ТП осуществляется кабельной линией;  – коэффициент, учитывающий рельеф в месте расположения защищаемого здания с ЭО. Принимается равным  = 0, если строение хорошо экранировано;  = 0,5, если вблизи есть другие строения;  = 0,75, если здание расположено на открытой местности;  = 1, если здание расположено в горах или вблизи есть молниеотвод.

Функционал R определяется выражением:

, (8)

где S – дискретная величина, учитывающая устойчивость оборудования. Для практических расчетов принимается равной:

S = 4, если уровень помехоустойчивости меньше U_уст  0,5 кВ; S = 3, если 0,5  U_уст  1,0 кВ; S = 2, если 1,0  U_уст  2 кВ; S = 1, если 2,0  U_уст  4.

С – дискретная величина, учитывающая ущерб от повреждения оборудования в результате воздействия ИЭМВ. Для проведения практических расчетов принимается равной:

С = 1, при низкой стоимости оборудования (стоимость оборудования меньше 45 тыс. руб.); С = 2, при средней стоимости оборудования (при стоимости оборудования от 45000 до 450000 руб.); С = 3, при высокой стоимости оборудования (свыше 450000 руб.).

I – дискретная величина, учитывающая ущерб, возникающий при невозможности использовать оборудование, пострадавшее в результате ИЭМВ. Для проведения практических расчетов принимается равной:

I = 1, при отсутствии нарушений в работе ЭО; I = 2, при частичном нарушении работоспособности ЭО; I = 3, при полном повреждении оборудования или очень серьезном, с последствиями экономического ущерба.

После оценки значений функционалов Е и R можно делать выводы о необходимости установки защиты от ИЭМВ в соответствии с данными табл. 3.

Таблица 3

Рекомендации по необходимости установки ОПН

	E  1	1 < E  2	2 < E  4	E > 4
R = 89	Рекомендуется	Рекомендуется	Необходимо	Необходимо
R = 67	Не обязательно	Рекомендуется	Рекомендуется	Необходимо
R < 5	Не обязательно	Не обязательно	Не обязательно	Рекомендуется

Для обеспечения низкого остающегося напряжения электрооборудования потребителей, рекомендованы каскадные схемы защиты (рис. 10).

Рис. 10. Примеры выполнения каскадных схем защиты ЭО

а) параллельная установка двух ОПН,

б) параллельная установка нескольких ОПН на разных фидерах

Приводятся подробные рекомендации по обеспечению координации между ОПН при их каскадном подключении (табл. 4), а также правила подключения и монтажа ОПН.

Таблица 4

Рекомендуемые минимальные расстояния между ОПН для обеспечения координации

ОПН1			ОПН2			Минимальная дистанция между ОПН, м
Iн1, кА	Iмакс1, кА	Uост1, КА	Iн2, кА	Iмакс2, кА	Uост2, кА
20	40	2,5	5	10	1,5	20
20	40	2,0	5	10	1,5	10
10	20	1,8	5	10	1,5	5
5	10	2,5	2	4	1,5	10

Рис. 11. Схемы подключения ОПН: а) сокращение длины проводников

подключения ОПН; б) разделение проводников подключения ОПН


(9)

. (10)

На основании результатов исследования разработана методика выполнения системы защиты электрооборудования потребителей и силовых трансформаторов от перенапряжений.

В пятой главе представлены исследования периода эксплуатации массива СТ после установки ОПН с целью определения критериев повышения ресурсов силовых трансформаторов.

Выявление роли защитного аппарата в уменьшении влияния грозовых и коммутационных перенапряжений на общую повреждаемость СТ проводилось по статистическим данным энергетического предприятия ЗАО «СГЭС».

На основе анализа работы СТ ЗАО «СГЭС» за 45-летний срок эксплуатации была выявлена повреждаемость трансформаторов в результате грозовых и коммутационных перенапряжений, составляющая 13,03 % от общего количества повреждений СТ (рис. 13; (4)).

Установлено, что без использования ОПН число перенапряжений в год с величиной U > 3÷4∙U_ном, (В), ожидается 10 – 400 раз, в то время как при установке ОПН те же перенапряжения возникают 1 – 2 раза в год.

При установке ОПН перенапряжения снижаются до уровня испытательного напряжения, так, например, для силовых трансформаторов 6/0,22 кВ ОПН снизили перенапряжения с кратностью K_max = 8,2 – 8,6 до уровня K_max = 3,5 – 4,0.

Эффективность использования ОПН в распределительных сетях, при различных видах перенапряжений представлена на рис. 12.





Рис. 12. Распределение кратности перенапряжений в сетях 6 кВ при наличии и отсутствии ОПН


С целью аналитического исследования влияния защиты от перенапряжений построены плотность вероятности и функция распределения отказов для уже исследованного массива СТ предприятия ЗАО «СГЭС», но с учётом установки ОПН (рис. 13, 14).

(11)

Наработка на отказ СТ описывается также распределением Вейбулла с параметрами α´₁ = 0,1566 и δ´₁ = 0,996 на интервале 0…12 лет, на интервале 23…40 лет, Вейбулла, с параметрами α´₃ = 0,035·10^-9 и δ´₃ = 5,5633, а на промежуточном интервале 12…23 – равномерным законом распределения с коэффициентом а = 0,0087.

Проведенная проверка показала, что с доверительной вероятностью не ниже 0,95 по критерию согласия χ² – Пирсона, наработка на отказ анализируемого массива СТ с ОПН в распределительных сетях также описывается двумя законами распределения по выражениям с плотностью вероятностей (11), представляя собой многостадийную модель накопления повреждений.

Рис. 13. Гистограмма (3) и вероятностная плотность распределения на отказ СТ до 1000 кВ∙А с учётом установки ОПН (1), (2) – плотность распределения на отказ СТ без учёта установки ОПН, (3) – гистограмма повреждаемости массива СТ в результате грозовых и коммутационных перенапряжений

Рис. 14. Вероятностная функция распределения на отказ СТ до 1000 кВ∙А с учётом установки ОПН (1 – эмпирическая и 2 – теоретическая кривые распределения вероятности отказов СТ; 3   теоретическая кривая распределения вероятности безотказной работы СТ)

Аналогично выражению (4) определено среднее время безотказной работы массива СТ при установке ОПН, которое увеличилось на 7,5% и составило:

(12)

Оценка предельно допустимой нормы t эксплуатационного ресурса СТ при использовании ОПН с граничной вероятностью E_X, = 0,2; 0,05; 0,02; 0,01 составляет:

(13)

Таблица 5

Прогнозируемые предельно допустимые нормы эксплуатационного ресурса

массива СТ (с учетом установки ОПН)

Интервал	I			II			III
ЕX	0,05	0,02	0,01	0,05	0,02	0,01	0,2
t', лет	9,01	11,23	12,19	20,08	23,53	24,68	37,36
Δ*),%	6,75%	8,19%	8,94%	12,18%	12,42%	12,49%	3,84%

* - увеличение t' (с учётом установки ОПН) относительно t (без ОПН).

Рис. 15. Вероятностные характеристики интенсивности отказов СТ до 1000 кВ∙А без ОПН (1) и с учётом установки ОПН (2)

Вероятностная характеристика интенсивности отказов h(t) при использовании ОПН может быть аппроксимирована по участкам с погрешностью не более 5% следующими выражениями:

(14)

На основе полученных функций распределения отказов массива СТ без ОПН (3) и с учётом установки ОПН (11) целесообразно сравнить интенсивность отказов по выделенным интервалам (рис. 15).

Заметное снижение количества отказов, наблюдаемое на интервале деградации, определяется увеличением среднего времени безотказной работы для массива СТ с учётом установки ОПН на 1,6 года, что составляет 7,5%.

Увеличение предельно допустимой нормы эксплуатационного ресурса на всех интервалах работы СТ и уменьшение интенсивности отказов на интервале деградации на 2,5%, когда интенсивность отказов не превышает интенсивность отказов периода приработки, подтверждают эффективность ОПН для защиты трансформаторов от перенапряжений.

Таким образом, исследования показали, что установка нелинейных ограничителей перенапряжений приводит к снижению остающегося напряжения на шинах подстанций распределительных сетей. Следовательно, ОПН предотвращают повреждение изоляции СТ и, одновременно, повышают ресурсные характеристики СТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана структурная схема классификации причин повреждений СТ на основе анализа аварийности в сетях 0,22 – 35 кВ и методика обследования парка устаревших трансформаторов позволяющая определять техническое состояние трансформаторов и давать рекомендации по техническому обслуживанию на основе использования информации разных уровней и текущего эксплуатационного ресурса.
   
2. На основе статистических исследований установлено, что наработка на отказ массива СТ мощностью до 1000 кВ·А на трёх этапах эксплуатации подчиняется законам: на этапе приработки распределение Вейбулла с параметрами α₁ = 0,1598 и δ₁ = 0,998 на интервале 0…12 лет, на этапе нормальной эксплуатации равномерное распределение с коэффициентом а = 0,0099 на промежуточном интервале 12…23 лет и на этапе деградации распределение Вейбулла с параметрами α₃ = 0,025·10^-9 и δ₃ = 6,5485 на интервале 23…40 лет. Установлено, что применение каскадной схемы ОПН приводит к изменению параметров распределения на всех этапах эксплуатации СТ при сохранении его формы.
   
3. Построена многостадийная модель отказов СТ и нарушений по перенапряжениям, позволяющая получить вероятность отказа и, соответственно, вероятность безотказной работы, на любом этапе текущего эксплуатационного ресурса массива СТ с учётом условий обеспечения ЭМС.
   
4. Разработана методика применения каскадных схем ОПН для ограничения перенапряжений в сетях 0,22 – 35 кВ, которая принципиально изменила ресурсные характеристики массива СТ, увеличив среднее время безотказной работы массива СТ на 1,6 года, т.е. на 7,5%.
   

Материалы диссертации используются в учебном курсе “Изоляция и перенапряжение” и “Электрические системы и сети” Самарского государственного технического университета.


Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Гольдштейн В.Г., Соляков О.В., Сулейманова Л.М. Учёт старения электроустановок при анализе электромагнитной совместимости // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 10^-й Междунар. науч. – технич. конф. студ. и аспир., т.1. М.: МЭИ (ТУ), 2004. С. 336.
   
2. Гольдштейн В.Г., Соляков О.В., Сулейманова Л.М. Методические аспекты решения задачи электромагнитной совместимости // Сб. научн. тр. "Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии". – Пенза: изд-во ПГУ, 2004. С. 48 – 54.
   
3. Ведерников В.С., Гольдштейн В.Г., Сулейманова Л.М. Модель накопления повреждений в силовых трансформаторах // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 11^-й Междунар. науч. – технич. конф. студ. и аспир., 1 – 2 марта 2005, т.1. М.: МЭИ (ТУ), 2005. С. 372 – 373.
   

4. Сулейманова Л.М. Моделирование накопления повреждений в силовых трансформаторах // Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий: Сб. тр. V Междунар. науч. – технич. конф. 25 – 27 мая 2005, – Мариуполь, 2005. С. 186 – 189.
   
5. Гольдштейн В.Г., Салтыков В.М., Соляков О.В., Сулейманова Л.М. Классификация перенапряжений и аварийность силовых трансформаторов предприятий электрических сетей // Вестник СамГТУ. Вып. 41. Самара, 2006. – С. 148 – 158.
   
6. Сулейманова Л.М. Старение изоляции силовых трансформаторов сетей 6 – 35 кВ как следствие грозовых и коммутационных перенапряжений // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Вып. 30. С.Пб, ПЭИПК, 2006. – С. 138–141.
   

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка математических моделей [1, 3, 4,], расчетная часть [2, 5] и обработка результатов исследований [1, 5, 6,].

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04 Протокол № 21 от 15.11.2006

Заказ № 1673. Формат 60х84 1/16. Бумага тип. №1. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Самарский государственный технический университет. Типография СамГТУ. 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус