Методика диагностирования силовых трансформаторов на основе оперативного контроля частичных разрядов

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Содержание работы Проведение объемной локации при различных исходных условиях Рекомендации по дальнейшей эксплуатации Результаты промышленного внедрения

Подобный материал:

• Инструкция по охране труда № при монтаже силовых трансформаторов, 366.89kb.
• 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.
• Учебное пособие «Акустический контроль частичных разрядов в изоляции», 2011 г., авторы, 21.83kb.
• Положение об экспертной системе контроля и оценки состояния и условий эксплуатации, 534.73kb.
• Планирование аэробной подготовки бегунов на средние дистанции на основе силовых, скоростно-силовых, 327.5kb.
• Сокращение продолжительности ремонта основного оборудования сетей, 42.78kb.
• «проблемы анализа городских сточных вод: методы контроля комплексообразователей», 605.57kb.
• Поведение пузырьков в воде под действием сильных электрических полей: Обсуждение, 104.12kb.
• Повышение эксплуатационных ресурсов силовых трансформаторов при обеспечении электромагнитной, 326.1kb.

На правах рукописи


МОСТОВОЙ Сергей Евгеньевич


МЕТОДИКА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ОСНОВЕ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ


Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Магнитогорск – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КАРАНДАЕВ Александр Сергеевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

САРВАРОВ Анвар Сабулханович


кандидат технических наук

КОПЦЕВ Алексей Леонидович


Ведущее предприятие: ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»


Защита состоится 11 марта 2011 г. в ­­­­___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».


Автореферат разослан ___ января 2011 г.


Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение средств диагностирования технического состояния маслонаполненного электрооборудования и в первую очередь силовых трансформаторов является актуальной и остро востребованной задачей. Это обусловлено рядом объективно сложившихся причин, основной из которых является физический износ оборудования, достигающий в Российской энергетике 50–70%. Сложившаяся ситуация в полной мере характерна для ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), трансформаторный парк которого в значительной степени выработал нормативный ресурс. В этих условиях актуальность диагностирования технического состояния электрооборудования обусловлена следующими причинами:

– необходимостью продления срока эксплуатации сверх нормативного, вплоть до выработки реального, заложенного изготовителем ресурса;

– необходимостью предотвращения аварий энергоблоков собственных электростанций, убытки от которых исчисляются миллионами рублей;

– общемировой тенденцией перехода от системы планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по состоянию.

В условиях ОАО «ММК» оснащение основного оборудования средствами технического диагностирования включено в перечень приоритетных направлений. Соответственно возрастает роль методов диагностирования в режиме реального времени.

Работы по диагностированию состояния трансформаторов ведутся МЭИ (ТУ), ИГЭУ, СамГТУ, КГЭУ, НГТУ, Сибирским НИИ Энергетики и другими организациями. Широко известны труды Аксенова Ю.П., Алексеева Б.А., Вдовико В.П., Гольдштейна В.Г., Голенищева-Кутузова А.В., Львова М.Ю., Назарычева А.Н., Русова В.А., Салтыкова В.М., Хренникова А.Ю.

Одним из перспективных и интенсивно развивающихся методов контроля технического состояния без снятия напряжения (в режиме on-line) является метод локации частичных разрядов (ЧР). Регистрация ЧР в высоковольтном оборудовании используется для целей диагностики в течение последних 15–20 лет. Однако в настоящее время данный метод применяется в основном для контроля оборудования энергосистем, крупных электростанций, в том числе АЭС. Для контроля состояния оборудования генерирующих электростанций промышленных предприятий данный метод обследования практически не применяется. Это вызвано техническими трудностями, а также проблемами научного и методического характера. К ним относятся:

– сложность выявления диагностических признаков и идентификации неисправностей по контролируемым параметрам ЧР;

– отсутствие четких диагностических критериев оценки технического состояния по диагностическим признакам;

– отсутствие методик диагностирования технического состояния трансформаторов на основе обработки и анализа результатов периодических замеров интенсивности ЧР.

Целью диссертационной работы являются разработка и практическое применение методики локализации и идентификации неисправностей силовых маслонаполненных трансформаторов без снятия напряжения на основе оперативного контроля частичных разрядов и анализа результатов их периодической акустической локации.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Анализ характерных неисправностей силовых трансформаторов, диагностических признаков, методов локализации и идентификации неисправностей. Анализ методов регистрации частичных разрядов, обоснованный выбор диагностического оборудования.

2. Разработка комплексной методики диагностирования технического состояния трансформаторов, включающей исследование характеристик  разрядов, полученных в результате индивидуальных замеров акустических сигналов, и анализ динамики изменения показателей разрядной активности, полученных в результате периодической объемной локации ЧР.

3. Разработка алгоритмов и программы автоматизированной обработки статистических данных о состоянии электрооборудования. Применение для анализа технического состояния трансформаторов центральной электростанции (ЦЭС) ОАО «ММК».

4. Проведение экспериментов по акустической локации ЧР в трансформаторах энергоблоков ЦЭС. Оценка технического состояния по результатам замеров и сопоставления показателей разрядной активности с нормативными.

5. Разработка и практическое применение методики и алгоритма обработки результатов периодической акустической локации ЧР на основе метода субтрактивной (горной) кластеризации, обеспечивающих локализацию и идентификацию неисправностей, а также оценку динамики их развития.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования основаны на положениях теории надежности, спектрального анализа, статистических методах обработки информации. Экспериментальные исследования выполнены методом акустической локации с помощью прибора анализа частичных разрядов и локации зон дефектов в изоляции высоковольтного оборудования AR-700. Обработка данных осуществлялась с использованием методов кластерного анализа с помощью приложения Fuzzy Logic Toolbox системы Matlab, реализующего метод субтрактивной кластеризации. При разработке программы обработки статистических данных о состоянии электрооборудования использован язык программирования Turbo Pascal 7.0.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика диагностирования технического состояния трансформатора по результатам акустической локации ЧР, основанная на комплексном исследовании параметров отдельных разрядов, полученных в результате индивидуальных замеров, и динамических изменений показателей разрядной активности, полученных в результате периодической объемной локации ЧР.

2. Алгоритмы и программа статистической обработки данных об отказах трансформаторов, обеспечивающие классификацию отказов по времени, номеру объекта, месту и периодичности возникновения, а также расчет показателей надежности.

3. Теоретическое обоснование и применение методов кластерного анализа массивов данных для локализации очагов возникновения ЧР и их распределения в структуре трансформатора. Обоснование применения геометрических координат частичных разрядов в качестве элементов матрицы наблюдений.

4. Методика и алгоритм локализации неисправностей на основе метода субтрактивной кластеризации. Принцип идентификации неисправностей путем сопоставления центров кластеров ЧР с конструктивным расположением узлов трансформатора и использования потенциалов кластеров для оценки динамики развития дефекта.

5. Результаты применения разработанной методики для диагностирования технического состояния трансформаторов энергоблоков ЦЭС ОАО «ММК», подтвердившие достоверность основных теоретических положений и высокую эффективность ее использования для локализации неисправностей на ранней стадии развития.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением математического аппарата и методов программирования, комплексным характером экспериментов, повторяемостью измерений и их соответствием результатам, опубликованным в научной литературе, использованием опыта длительной эксплуатации силовых трансформаторов на промышленном предприятии.

Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана методика диагностирования технического состояния трансформатора по результатам акустической локации ЧР, принципиальным отличием которой является комплексное исследование характеристик индивидуальных разрядов, и динамических изменений показателей разрядной активности, полученных в результате периодической объемной локации ЧР.

2. Предложены алгоритмы и программа статистической обработки данных об отказах трансформаторов, обеспечивающие классификацию отказов по времени, месту и периодичности возникновения.

3. Обосновано применение методов кластерного анализа для локализации очагов возникновения ЧР с использованием геометрических координат частичных разрядов в объемной зоне трансформатора в качестве элементов матрицы наблюдений.

4. Впервые обоснован принцип идентификации неисправностей путем сопоставления центров кластеров ЧР с конструктивным расположением узлов трансформатора и использования потенциалов вновь образовавшихся кластеров для оценки динамики развития неисправностей.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что

1. Разработанная методика применена для диагностирования технического состояния трансформаторов энергоблоков ЦЭС ОАО «ММК». По результатам комплексного диагностического обследования, выполненного методом акустической локации, даны рекомендации обслуживающему персоналу по режимам эксплуатации трансформаторов, отработавших нормативный срок, и дополнительным диагностическим обследованиям.

2. С использованием разработанной программы статистической обработки данных выполнена оценка повреждаемости трансформаторов электростанций ОАО «ММК», дано распределение повреждений по основным узлам с учетом срока эксплуатации.

3. Аппаратно-программный комплекс на базе прибора AR-700 внедрен в промышленную эксплуатацию на центральной электростанции ОАО «ММК». Экономический эффект за счет сокращения времени простоев энергосистемы ЦЭС превышает 1 млн. руб./год.

4. Алгоритмы диагностирования технического состояния трансформаторов и разработанные программы переданы разработчику прибора AR-700 ООО «Димрус» (г. Пермь), где используются при совершенствовании программного обеспечения приборов акустической локации ЧР.

5. Разработанная методика замеров акустических сигналов и обработки результатов кластерным методом рекомендуется для расширенного применения при диагностировании технического состояния высоковольтного электротехнического оборудования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на I международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий – прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск, 2007, г.), I международной научно-практической конференции «ИНТЕХМЕТ-2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему будущему России» (г. Магнитогорск, 2008 г.); международной научно-технической конференции специалистов ОАО «ММК» (г. Магнитогорск, 2009 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2010), ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» (г. Магнитогорск, 2008, 2009 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 печатных трудах, в числе которых 4 статьи в рецензируемых изданиях и одно свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 148 наименований. Работа изложена на 158 страницах основного текста, содержит 40 рисунков, 16 таблиц и приложения объемом 9 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена анализу причин возникновения неисправностей в силовых трансформаторах и методов контроля их технического состояния. Показаны преимущества методов диагностирования, основанных на контроле частичных разрядов, их диагностическая ценность в сравнении с другими применяемыми методами. Выполнен анализ известных способов регистрации ЧР (электрического, электромагнитного, акустического).

Показано, что преимущественным направлением диагностирования технического состояния трансформаторов 35–110 кВ является оценка состояния изоляции (увлажнения, старения), по интенсивности ЧР как источников разрушения изоляции. Перспективным и интенсивно развивающимся методом контроля без снятия напряжения (в режиме on-line) является метод акустической локации ЧР.

Частичным разрядом называется электрический разряд, который шунтирует лишь часть изоляционного промежутка (рис. 1). Увеличение интенсивности ЧР является сигналом зарождающихся неисправностей, кроме того, сами ЧР вызывают процессы разрушения изоляции. При этом размер дефектной области и интенсивность разрядов увеличиваются. Когда дефектная зона достигает достаточно больших размеров, возникает опасность пробоя изоляции. Частичные разряды достигают контролируемого уровня уже на ранней стадии развития дефекта. Поэтому их возникновение и интенсивность являются важными диагностическими признаками, а метод контроля, основанный на регистрации ЧР, обладает высокой диагностической ценностью.




Рис. 1. Частичные разряды в изоляции трансформатора

(Claude Kane, Alexander Golubev – http:/ www.partial-discharge.com)

Выполнен анализ параметров ЧР, используемых при диагностировании. Они могут быть условно разделены на две группы: это характеристики индивидуального разряда и параметры, характеризующие разрядную активность. К первой группе относятся амплитуда ЧР, его фаза (расположение) относительно приложенного напряжения, кажущийся заряд. Вторая группа параметров может быть получена путем вычислений по результатам замеров. К ним относятся интенсивность разрядов: количество ЧР в единицу времени, средний ток, мощность разрядов и т.д.

Известны следующие методы регистрации ЧР:

• электрический, основанный на измерении сигналов в электрических цепях, связанных с контролируемым объектом;

• электромагнитный, основанный на дистанционной регистрации электромагнитного излучения ЧР в СВЧ-диапазоне;

• акустический метод, основанный на измерении акустических колебаний, образующихся при ЧР, с помощью датчиков контактного типа.

Дана характеристика каждого из перечисленных методов, а также устройств, обеспечивающих их техническую реализацию. Показано, что наиболее приемлемым является метод трехмерной акустической локации, позволяющий определить наиболее точное расположение дефектов. Этот способ основан на определении запаздывания акустической волны, возбуждаемой частичным разрядом, или разности времен прохождения волны до соответствующих датчиков, установленных в различных точках стенки бака.

Основные преимущества метода акустической локации  ЧР:

1. Применение этого  метода,  обладающего  высокой  чувствительностью,  позволяет  выявлять  образование  ЧР  в  дефектных  местах  на  ранних  стадиях. 

2. Характеристики  ЧР  позволяют  производить  многостороннюю  оценку  свойств  дефектов  и  характера процесса  ЧР. 

3. Метод  позволяет  определять  как  интегральные  характеристики  множества  разрядов,  так и  свойства  единичных  разрядов.

4. Метод  позволяет безынерционно  отражать  разрядные явления  в изоляции.

По результатам сравнительного анализа характеристик приборов обосновано использование прибора анализа частичных разрядов и локации зон дефектов в изоляции высоковольтного оборудования AR-700, выпускаемого фирмой «Димрус» и ее партнером – ПВФ «Вибро-Центр» (г. Пермь). Он позволяет выполнять периодические замеры на нескольких трансформаторах, осуществлять оперативный контроль и накопление диагностической информации. Представлены технические характеристики прибора, дано описание базы данных AtlantdB.

Показано, что имеющееся программное обеспечение прибора AR-700, как и других известных переносных приборов, не позволяет осуществлять математическую обработку данных, полученных в результате периодической акустической локации ЧР. В результате обоснована необходимость создания алгоритмов оценки изменения разрядной активности, локализации очагов возникновения ЧР и их распределения в структуре трансформатора.

Во второй главе представлены основные положения разработанной методики диагностирования технического состояния трансформатора по параметрам частичных разрядов. В отличие от известных, предлагаемая методика основывается на результатах двух экспериментальных обследований:

– индивидуальной локации ЧР, по результатам которой дается оценка параметров единичных импульсов (амплитуды, кажущегося заряда), а также показателей разрядной активности (интенсивности ЧР N(q)). Это дает возможность оценки технического состояния по анализу графиков N(q) и соответствия показателей нормативным критериям;

– периодической объемной локации ЧР, результаты которой позволяют выявить очаги разрядной активности, их расположение, динамику развития и тем самым косвенно оценить степень их опасности. Рекомендуется проводить периодические замеры в ходе пассивного эксперимента при изменившихся исходных условиях: нагрузке и температуре.

Разработанная методика включает следующие основные этапы:

1. Оценка текущего состояния трансформатора. Обоснование проведения диагностических обследования методом регистрации ЧР.

2. Измерение характеристик ЧР на рабочем напряжении.

3. Определение технического состояния. Выполняется в соответствии с РД ЭО-0188-00 «Методические рекомендации по диагностике электрических аппаратов, распределительных устройств электростанций и подстанций».

4. Проведение объемной локации при различных исходных условиях (нагрузке и температуре).

5. Обработка результатов замеров с применением алгоритмов кластерного анализа:

– выявление очагов ЧР путем определения геометрического расположения центров кластеров, а также показателей разрядной активности путем оценки их потенциалов;

– сопоставление мест возникновения кластеров ЧР с расположением узлов и блоков трансформатора;

– локализация неисправностей и их идентификация.

6. Рекомендации по дальнейшей эксплуатации:

– эксплуатация без увеличения объема обследований при уменьшении числа кластеров, либо снижении их потенциалов;

– выполнение повторных измерений, при появлении дополнительных кластеров, либо увеличении потенциалов ранее обнаруженных;

– эксплуатация с увеличенным объемом обследований, если произошло значительное увеличение количества и потенциалов кластеров. В этом случае определяются конкретные виды дополнительных диагностических обследований.

В соответствии с первым пунктом методики необходимо выполнить анализ состояния трансформаторов до начала периодического контроля. Применительно к трансформаторам ЦЭС и другому оборудованию, находящемуся в эксплуатации длительное время, целесообразно использовать статистический метод. Для оптимизации процесса сбора и обработки информации об отказах оборудования электростанций была разработана программа для ЭВМ, которая позволяет формировать архив отказов, выполнять статистическую обработку архивных данных, рассчитывать среднее время наработки на отказ и другие показатели надежности. Основной алгоритм представлен на рис. 2. Программа официально зарегистрирована Государственном реестре программ для ЭВМ.

С
Рис. 2. Основной алгоритм программы сбора и статистической обработки данных об отказах
применением программы выполнен анализ повреждаемости трансформаторов и другого оборудования энергоблоков трех главных электростанций ОАО «ММК». Из диаграммы, приведенной на рис. 3, следует, что процент технологических нарушений, вызванных неисправностями силовых трансформаторов значителен и составляет 12,8%. Доля экономического ущерба превышает 12%. Это подтверждает необходимость внедрения систем мониторинга технического состояния трансформаторов, выработавших нормативный ресурс.



Рис. 3. Распределение технологических нарушений электрооборудования электростанций ОАО «ММК»

Проведено исследование причин возникновения повреждений трансформаторов электростанций за период с 2000 по 2009 год. Результаты распределения повреждений по основным узлам с учетом срока эксплуатации представлены в табл. 1.

Рассмотрена методика экспериментального обследования трансформаторов, рекомендованная фирмой-разработчиком прибора AR-700, включающая акустическое обследование с помощью одного датчика и акустическую локацию с помощью четырех датчиков, устанавливаемых на поверхности бака в зоне повышенной активности ЧР. Показано, что нагрузка трансформатора и температура масла в баке являются наиболее значимыми факторами, оказывающими влияние на интенсивность ЧР. Обоснован вывод о целесообразности диагностических обследований методом пассивного эксперимента при изменении этих параметров.

Таблица 1

Распределение повреждений силовых трансформаторов по основным узлам

Узел	Распределение повреждений с учетом срока эксплуатации
	10 лет	10-20 лет	20-30 лет	более 30 лет
Обмотка	14,7%	15,9%	14,7%	18%
Магнитопровод	3,6%	0%	0%	0%
Система охлаждения	1,2%	9%	8%	0%
РПН	7,5%	18%	13,5%	6%
Течь масла	7,8%	10,2%	12%	6,9%
Высоковольтные вводы	9,6%	23,4%	24%	19,8%

В третьей главе рассмотрены результаты экспериментов по акустической локации ЧР на шести трансформаторах энергоблоков ЦЭС. Мощность трансформаторов составляет: 40 МВА (Тр. № 1), 63 МВА (Тр. №№ 2 – 6). Продолжительность эксплуатации от 8 лет (Тр. № 5) до 40 лет (Тр. № 4).

На рис. 4 показано расположение датчиков и подключение прибора AR-700. На рис. 5 представлены результаты замеров ЧР на трансформаторе № 1. Точки внутри объемной зоны, наглядно представляют количество и месторасположение разрядов, зафиксированных в течение 1 мин. В правой части рис. 5 приведены геометрические координаты (x_i, y_i, z_i) разрядов по осям, показанным на рисунке. В результате эксперимента при относительно высоких порогах шумов (0,45 В) зафиксировано значительное количество разрядов, распределенных практически по всему объему бака. Аналогичные результаты были получены для остальных трансформаторов энергоблоков ЦЭС.

С целью оценки процессов развития разрядной активности выполнено сравнение объемных схем ЧР, полученных по результатам замеров, выполненных с разницей в 6 месяцев (23.10.07 и 23.04.08). В результате установлено, что для всех трансформаторов при более поздних замерах визуально наблюдается увеличение разрядной активности, что свидетельствует об изменении их технического состояния. При этом изменяется распределение ЧР в отдельных зонах бака, что говорит о возможном развитии дефектов в этих зонах.

При обработке результатов замеров визуально подсчитывалось количество разрядов с амплитудой, превышающей заданный порог 50 мВ. Предварительно выделялся спектр сигнала, осуществлялись фильтрация и обратное преобразование Фурье (рис. 6). Данные операции выполняются с помощью программного обеспечения AtlantdB прибора AR-700. По сигналам от каждого из четырех датчиков построены диаграммы распределения числа ЧР N по их зарядам q, пример представлен на рис. 7. При подсчете ограничивались учетом только тех ЧР, которые повторяются не менее 10 раз за секунду.



Рис. 4. Установка датчиков на баке трансформатора № 2

Размеры бака (н.к.-юг-право):

X=550 см;

Y=500 см;

Z=200 см.

Координаты датчиков (см):

Канал	X	Y	Z
1 (7)	550	50	130
2 (8)	550	50	180
3 (9)	550	100	180
4 (10)	550	100	130

Порог сигнала: 50%

Рис. 5. Объемная схема результатов акустической локации ЧР

Выполнено сравнение полученных распределений N(q) с критериальными кривыми, представленными в методических указаниях МУ 0634-2006, утвержденных «Роэнергоатом». Сделан вывод о соответствии состояния всех трансформаторов критерию «НОРМА». Рекомендована дальнейшая эксплуатация без ограничений.



Рис. 6. Характерная осциллограмма и выделение спектра

акустического сигнала



Рис. 7. Распределение числа ЧР в зависимости от заряда (замер 23.04.08 трансформатор № 5, измерительный канал № 1)

Очевидно, что обработка результатов путем визуальной оценки числа импульсов и их амплитуд не может обеспечить высокой точности. Вместе с тем, по полученным диаграммам можно судить о частоте возникновения ЧР, амплитудах разрядов и делать предварительные выводы о техническом состоянии объекта. С целью идентификации повреждений целесообразно более точно локализовать места повышенной разрядной активности (скопления ЧР) и прослеживать динамику их развития. Для этого необходимо применить методы математической обработки динамически изменяющихся данных, наиболее приемлемым из которых является метод кластерного анализа^.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке методики локализации неисправностей на основе алгоритма нечеткой кластеризации, а также внедрению результатов работы.

Методы кластерного анализа позволяют разделить изучаемую совокупность объектов на группы схожих объектов (кластеров) и могут использоваться в условиях отсутствия информации о законах распределения данных. Разбиение выборки на группы позволяет упростить дальнейшую обработку данных и принятие решений. Алгоритм кластеризации – это функция , которая любому объекту ставит в соответствие номер кластера . Множество в некоторых случаях известно заранее (алгоритмы четкой кластеризации), однако чаще ставится задача определения числа кластеров непосредственно в ходе анализа (при нечеткой кластеризации).

На основе анализа основных теоретических положений метода кластерного анализа обосновано применение для обработки результатов акустической локации ЧР метода субтрактивной (горной) кластеризации. Согласно алгоритму метода, каждая точка массива дан­ных предполагается центром потенциального кла­стера, для которого вычисляется целевая функция – плотность других точек вокруг рассматри­ваемой.

В качестве элементов матрицы наблюдений впервые предложено использовать координаты ЧР (x_i, y_i, z_i) в объемной зоне трансформатора, полученные по результатам акустической локации (см. рис. 4). Эти координаты сохраняются в базе данных прибора AR-700 и могут быть легко выведены в виде числовых массивов для обработки в пакете Fuzzy Logic Toolbox системы Matlab. Этот пакет является наиболее удобным для обработки массивов экспериментальных данных.

Разработана методика анализа ЧР на основе метода субтрактивной кластеризации, включающая следующие позиции:

1. В качестве исходных параметров принимаются координаты ЧР (х_ij, y_ij, z_ij) для каждого из обследуемых трансформаторов. Формируются матрицы наблюдений Х_Тj раз­мерности [nj×3]:

. (1)

Здесь nj – количество зарегистрированных импульсов ЧР на уровне частоты повторения 10 имп./с для j-го трансформатора, i – номер разряда.

2. Рассчитываются потенциалы п-центров кластеров, в соответствии с зависимостью

, (2)

где Z_h = (z_1,h, z_2,h,…, z_n,h) – потенциальный центр h-го кластера; h = 1, S; α – положительная констан­та; D(Z_h, X_к) – расстояние между потенциальным центром кластера Z_h и объектом кластеризации Х_к.

3. Выполняется перерасчет потенциала по зависимости

(3)

где , – потенциалы на 1-й и 2-й итерациях;

  – центр первого найденного кластера:

;

 – положительная константа.

Перерасчет выполняется пока рас­четное значение потенциала выше некоторого за­данного порогового значения Р_lim.

4. Для каждого из исследуемых трансформаторов формируются матрицы F_Тj об­наруженных центров кластеров ЧР, соответствующие первому нагрузочному ре­жиму. Отдельно формируются векторы соответствую­щих потенциалов кластеров.

5. При изменении нагрузочного режима трансформатора, в соответствии с (1) формируются новые матрицы наблюдений Х´_Тj.

6. Выполняются расчеты по пп. 2, 3 данного ал­горитма и определяются матрицы F′_Тj обнаруженных центров кластеров ЧР для нового режима и соответствующие им векторы потен­циалов кластеров S′_Тj.

7. Для каждого трансформатора выполняется сравнение размерности М′_j строк (числа обна­руженных кластеров) матриц F′_Тj с размерностью М _j строк матриц F_Тj предыдущего режима. Опре­деляется число дополнительно образовавшихся кла­стеров ΔМ_j = М′_j –М_j. В случае если ΔМ_j<0, делается вывод о нормальном техниче­ском состоянии изоляции трансформатора.

8. В случае ΔМ_j>0 определяются координаты , , и векторы потенциалов S_ΔТj дополни­тельно образовавшихся кластеров ЧР (здесь k – номер образовавшегося кластера).

9. По значениям потенциалов оце­нивается степень опасности вновь возникших источников ЧР, а по координатам центров кластеров делается вывод о месте расположения и соответственно о причинах и механизме зарождающегося поврежде­ния.

Алгоритм анализа состояния трансформатора, составленный в соответствии с рассмотренной методикой, представлен на рис. 8. С использованием алгоритма с помощью приложений Fuzzy Logic Toolbox выполнено исследование технического состояния трансформаторов ЦЭС. На примере двух замеров для трех трансформаторов, определены координаты центров и потенциалы кластеров. На рис. 9 показаны координаты кластеров для трансформатора №5. Для первого замера (рис. 9, а) явно выражены 4 кластера, для второго замера – 6 кластеров (рис. 9, б). В качестве примера на обоих рисунках показано построение центра кластера №1 по координатам строк матриц F_Тj, F′_Тj.



Рис. 8. Алгоритм анализа технического состояния трансформатора на основе метода субтрактивной кластери­зации

В результате обработки данных по предложенному алгоритму установлено, что для трансформатора № 1 количество кластеров не изменилось, для трансформатора № 3 произошло уменьшение числа кластеров, а для трансформатора № 5 (рис. 9) – их увеличение (образовалось два дополнительных кластера). По координатам вновь образовавшихся кластеров сделан вывод о развитии разрядных процессов вблизи высоковольтных вводов фаз В и С трансформатора № 5. Определено, что вновь образовавшиеся кластеры ЧР имеют достаточно высокие потенциалы (высокую плотность ЧР относительно центра). Этот вывод послужил рекомендацией персоналу ЦЭС для продолжения сбора и обработки информации и дополнительных обследований трансформатора другими методами.



а б

Рис. 9. Объемные схемы распределения ЧР в трансформаторе №5:

а – замер №6 от 23.10.07; б – замер № 8 от 23.04.2008

Из приведенного примера следует, что разработанная методика позволяет сопоставить очаги разрядной активности (центры кластеров) непосредственно с конструктивным расположением узлов трансформатора (обмоток, высоковольтных вводов, РПН и т.д.) и тем самым локализовать и идентифицировать неисправность. Очевидно, что сделать однозначные выводы о техническом состоянии трансформаторов по результатам двух замеров затруднительно. Однако полученные результаты позволяют продемонстрировать работу предлагаемого алгоритма и эффективность его использования при диагностике в условиях эксплуатации.

Преимуществом разработанной методики по сравнению с известными, основан­ными на накоплении данных о параметрах ЧР, является возможность проведения оперативной, объективной оценки со­стояния трансформаторов за относительно короткое время.

Результаты промышленного внедрения:

Итогом выполненных исследований является разработанная и практически апробированная методика локализации неисправностей силовых трансформаторов на основе внедрения методов оперативного контроля частичных разрядов и анализа результатов их периодической акустической локации.

1. Аппаратно-программный комплекс на базе прибора АР-700 внедрен в промышленную эксплуатацию на центральной электростанции ОАО «ММК», что подтверждено соответствующим актом.

Основные технические эффекты от эксплуатации системы диагностирования:

– возможность непрерывного контроля технического состояния работающих силовых трансформаторов;

– обнаружение признаков неисправностей на ранних стадиях;

– возможность локализации неисправностей в конструкции трансформаторов;

– эффективное планирование профилактических и ремонтных работ.

Экономический эффект за счет разницы цены закупа электроэнергии у внешней энергосистемы и стоимости производимой электроэнергии во время простоев энергосистемы ЦЭС составляет более 1 млн. руб./год. Ожидаемый эффект, в случае своевременного предотвращения аварий энергоблоков, может составлять миллионы рублей, в зависимости от последствий.

2. Алгоритмы диагностирования технического состояния трансформаторов и разработанные программы переданы разработчику прибора AR-700 ООО «Димрус», где используются при совершенствовании программного обеспечения приборов акустической локации ЧР в силовом электрооборудовании, что подтверждено соответствующим актом.

3. Разработанная методика замеров акустических сигналов и обработки результатов кластерным методом рекомендуется для расширенного применения при диагностировании технического состояния высоковольтного электрооборудования: реакторов, генераторов, электродвигателей и др.

4. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при подготовке магистров и специалистов электротехнических направлений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для диагностирования технического состояния трансформаторов собственных электростанций промышленного предприятия обосновано применение переносного прибора AR-700, позволяющего осуществлять оперативный контроль, сбор и накопление диагностической информации.

2. Предложена методика диагностирования технического состояния силовых трансформаторов, основанная на комплексном исследовании показателей разрядной активности, полученных в результате индивидуальных замеров, и интегральных  характеристик, полученных в результате периодической объемной локации ЧР.

3. Предложены алгоритмы обработки данных об отказах трансформаторов, обеспечивающие классификацию отказов по времени, номеру объекта, месту и периодичности возникновения. Разработана и официально зарегистрирована программа для ЭВМ, осуществляющая формирование архива отказов, статистическую обработку данных и расчет среднего времени наработки на отказ.

4. По результатам диагностического обследования трансформаторов энергоблоков ЦЭС ОАО «ММК», выполненного методом акустической локации, произведена оценка показателей интенсивности ЧР. В результате их сопоставления с нормативными показателями сделан вывод об удовлетворительном техническом состоянии трансформаторов.

5. Для исследования изменения разрядной активности, локализации очагов возникновения ЧР и их распределения в структуре трансформатора обосновано применение методов кластерного анализа. В качестве элементов матрицы наблюдений впервые предложено использовать геометрические координаты частичных разрядов внутри бака трансформатора.

6. На основе метода субтрактивной кластеризации предложены методика и алгоритм определения параметров разрядной активности по геометрическому расположению центров кластеров. Показано, что расположение кластеров позволяет сопоставить место возникновения очагов ЧР с конструктивным расположением узлов трансформатора и за счет этого локализовать и идентифицировать неисправности. Потенциалы вновь образовавшихся кластеров позволяют оценить степень опасности зарождающегося дефекта.

7. С использованием разработанного алгоритма с помощью приложений Fuzzy Logic Toolbox системы Matlab выполнена обработка данных акустической локации ЧР для трех трансформаторов ЦЭС, по результатам которой сделаны уточненные выводы об их техническом состоянии.

8. Аппаратно-программный комплекс на базе прибора АР-700 внедрен в промышленную эксплуатацию на ЦЭС ОАО «ММК». Экономический эффект от внедрения составляет более 1 млн. руб./год.

9. Алгоритмы диагностирования технического состояния трансформаторов и разработанные программы переданы разработчику прибора AR-700 ООО «Димрус» (г. Пермь), где используются при совершенствовании программного обеспечения приборов акустической локации ЧР в силовом электрооборудовании.


Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Контроль технического состояния силовых трансформаторов методом акустического диагностирования / А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, О.И. Карандаева, С.Е. Мостовой // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». Вып. 10. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. № 26(126). – С. 26–31.

2. Совершенствование автоматизированных электроприводов и диагностика силового электрооборудования / И.А. Селиванов, А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, С.Е. Мостовой и др. // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. – С. 5–11.

3. Внедрение систем диагностирования технического состояния высоковольтных силовых трансформаторов / А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, С.Е. Мостовой и др. //Сталь. 2009, № 3. – С. 94.

4. Методика прогнозирования остаточного ресурса электрооборудования при эксплуатации / К.Э. Одинцов, Ю.Н. Ротанова, О.И. Карандаева, С.Е. Мостовой и др. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 1. – С. 192–198.

Публикации в других изданиях:

5. Мостовой С.Е., Карандаев А.С., Евдокимов С.А. Методы регистрации частичных разрядов в силовом маслонаполненном оборудовании // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: Материалы 9-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – С. 61– 63.

6. Диагностирование технического состояния силовых трансформаторов энергоблоков центральной электростанции ОАО «ММК» / А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, С.Е. Мостовой и др. // Сб. докл. I междунар. научно-практ. конф. «ИНТЕХМЕТ-2008» – Санкт-Петербург, 2008. – С. 113– 117.

7. Причины возникновения и методы локации частичных разрядов в силовых трансформаторах / А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, С.Е. Мостовой и др. // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов.  Магнитогорск: МТУ, 2008. Вып. 15. – С. 258–262.

8. Анализ повреждений силовых трансформаторов ЦЭС ОАО «ММК» / А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, С.Е. Мостовой и др. //Материалы 66-й научно-техн. конф.: Сб. докл.  Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – Т.2. – С. 57–60.

9. Карандаев А.С., Мостовой С.Е. Оценка технического состояния трансформаторного оборудования электростанций ОАО «ММК». Методы и устройства диагностирования //Материалы 67-й научно-техн. конф.: Сб. докл.  Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – Т.2. – С. 55–56.

10. Мостовой С.Е. Внедрение систем диагностирования технического состояния высоковольтных силовых трансформаторов как средство повышения энергетической безопасности металлургического предприятия //Тезисы докл. междунар. научно-техн. конф. молодых специалистов. – Магнитогорск: ОАО «ММК», 2009. – С. 104–105.

11. Мостовой С.Е., Евдокимов С.А., Карандаева О.И. Методика оценки технического состояния трансформатора на основе анализа параметров частичных разрядов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. – Тольятти: ТГУ, 2009. – Ч. 2. – С. 212 – 215.

12. Мостовой С.Е. Диагностирование технического состояния и оценка остаточного ресурса силовых трансформаторов электростанции металлургического предприятия //Материалы докладов V Междунар. молодежной научной конф. «Тинчуринские чтения». Т. 1.– Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. – С. 43–44.

13. Расчет показателей надежности электротехнического оборудования на основе статистических методов анализа / И.Ю. Андрюшин, А.Ю. Юдин, А.А. Шеметова, В.Р. Храмшин, С.Е. Мостовой и др./ Свидетельство РФ № 2008614089 об официальной рег. Программ для ЭВМ // Оф.Бюл. «Программы для ЭВМ, БД, ТиМС». – М.:ФИПС. 2008. №4.