CC BY
37
УДК 621.314
АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ МЕТОД ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
А. А. Кузнецов1. В. Г. Шахов1. В. Ю. Тэггэр1, Е. А. Артюкова1. В. А. Чернорай2 1 Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия Открытое акционерное общество «Российские железные дорогиг. Омск Россия
Аннотация - В статье рассмотрены вопросы оценки технического состояния силовых трансформаторов тяговых подстанций, эксплуатируемых на Западно-Сибирской железной дороге. Описаны применяемые методы диагностирования силовых трансформаторов, указаны их основные достоинства п недостатки. Отмечено, что основным методом диагностирования является газовая хроматография, применяемая в настоящее время на Западно-Сибирской железной дороге. Проведен эксперимент, в ходе которого выявлено распределение частичных разрядов. Выявлено, что перспективными методами диагностирования силовых трансформаторов, работаюшпх в режимах тяговой нагрузки, является акустнко-эмисспонный метод, основанный на локализации частичных разрядов.
Ключевые слова: трансформатор, тяговая подстанция, частичные разряды, методы диагностирования
ВВЕДЕНИЕ
Силовые трансформаторы тлгозых подсганций характеризуются значительным износом. Большая их часть работает более двадцати пяти лет и требует постоянного мониторинга. На конец 2015 г. по результатам хрсма-тографического анализа на особом контроле находится трндцзть один трансформатор, тридцать из которых не более чем по двум газам. Данные приведены в табл. I. Для трансформаторов, находящихся на особом контроле период диагностирования сокращается с 12 до б месяцев.
таблица 1.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ. НАХОДЯЩИХСЯ НА ОСОБОМ КОНТРОЛЕ
ПО ИТОГАМ ?Г)1 S ГОДА (7.8 1?. 2015 Г)
Центр хроматографии Количество трансформаторов
Э4-2 Омск 13
ЗСБДКРЭ 2
ЭЧ-13 Камень-на-ОЗи 10
ЭЧ-16 Кемерозо б
Итого 31
постановка задачи
В настоящее время проблеме оперативного диагностирования тяговых трансформаторов уделяется особое внимание. Это обусловлено превышением срока эксплуатации оборудования (более 25 лет), моральным устареванием и. как следствие, необходимостью оперативного определения дефектов. Сейчас многие ученые занимаются этой проблемой. Тахие как А. С. Карандаев, С. Е. Мостовой, А. А. Чертоусов, 3. А. Русов, С. К. Цветаева, Q. Н Wu, Quan Jiangtao н другие. Для двагпостнропапия силовых трансформаторов, находящихся на балансе ОАО «Российские железные дороги», применяется метод газохромагографкческой диагностики Его применение характеризуется трудоемким процессом отсора пробы масла: должна быть обеспечена аЬсслютная герметичность. Недопустимым является загрязнение и увлажнение образца.
Также после отбора пробы время хранения масла не должно превышать одних суток. Данное условие представляется достаточно сложным из-за большого количества трансформаторов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга и от лаборатории Поэтому метод газохроматического анализа является недостаточно оперативным (работы проводятся со снятием напряжения бригадой оперативно технического персонала и пе нознолхю. сразу определить состояние граксформаюра).
ТЕОРИЯ
В последние годы широкое распространение пелучили методы, основанные на определении места расположения и измерения уровня частичных разрядов. Они возникают в местах с ослабленной газовыми включениями изоляцией. При их наличии в масляной прослойке, граничащей с твердой изоляцией, зачастую происходит ее повреждение и образование на поверхности изоляции устойчивых проводящих следов. Такие повреждения способны принести в конечном счете к полному пробою изоляции.
Внешний вед частичных разрядов, записанный высокоскоростной камерой, представлен на рис. 1 [1].
Рис. 1. Частичные разряды а - поверхностный заряд с положительного электрода; б — поверхностный разряд с отрицательного электрода
Среди известных методов регистрации частичных разрядов выделяются:
- электрический метод, который основан на измерении сигналов электрических цепей, связанных с контролируемым ибъекшм,
электромагнитный метод, при котором происходит дистанционная регистрация электромагнитного голу чения частичных раярядоч и СВЧ-диапаяоне;
- оптический метод, основанный на дистанционной регистрации оптического излучения частичных разря-
- акустический метсд. в основе которого лежит измерение звуковых колебаний, образующихся при частичных разрядах, при помощи специальных приборов контактного или дистанционного типа.
Из-за характера нагрузки для силовых трансформаторов, установленных на тяговых подстанциях, целесообразно применять метод акустнко-эмнссноннэго контроля.
В ^леятрооборудгтачии могут бкттт. просты? и сложные ус л очи я распространения ультразвука «Н ччтеоко-вольтных вводах измерительных трансформаторах, токопроводах обычно имеются простые условия распространения ультразвука, при которых звук от разряда распространяется в практически однородной среде на расстояния порядка сотни длин волн и поэтому затухает незначительно» [2].
В силовых трансформаторах, как и в элегазовых аппаратах, источник электрического разряда межет находиться в глубине оборудования. «В этом случае ультразвук проходит ряд преград и значительно затухает. Если у небольших маслонаполненных объектов величина акустического сигнала практически одинакова в любой точке поверхности, го при обследовании силового трансформатора эта отличие более значительно, и необходимо. перемещая датчик, искать область поверхности с максимальным сигналом» [3].
Наиболее вероятные амплитуды частичных разрядов используются при расчете координат дефекта. «Его возникновение происходит в местах с ослабленной газовыми включениями изоляцией. При их наличии в масляной прослойке, граничащей с твердой изоляцией, зачастую происходит ее повреждение и образование на поверхности изоляции устойчивых проводящих следов. Такие повреждения способны привести к полному пробою изоляции. Использование амилигуднош анализа непрерывней о сигнала шособствуел реализации данною метода локализации источника дефекта» [4]
«Известные на сегодняшний день методы решения задачи определения координат дефектов базируются на определении разности времени прихода сигналов акустической эмиссии поступающих на датчики, с последующими вычислениями» [5]. «Считается, что на первый датчик сигнал акустической эмиссии пришел в момент времени % а на все остальные -12, Ъ. Неизвестные координаты дефекта обозначаются (хо.у0). При расчете координат дефекта переходим от абсолютного времени ^ (1=0... 3) к приведенному значению где Г" -
время регистрации системой цервою сш нала акустической эмиссии, ш которою начинается отсчет разности времени прихода» [б]. При этом точка отсчета ^ переводится в начало координат. В соответствии с вышей по женным состаштяется система ураннечии
(4-г0)-с=^ - х0)7+- Уо?;
Й -*0)-С = у1(х2-хи? + (у2 - у0У~;
& 0) • с = >/(х,-^)24-(у,-л)2;
(Г4 -Г0) • С = х/(.г4-хс)2 + (у4-у0)2
где С - скорость распространения сигнала акустической эмиссии.
При этом предполагается, что длительность сигнала акустической эмиссии, поступающего из зоны радиусом К. не должна превышать:
(2)
С
где К - радиус зоны контроля.
Результаты экспетимита
С 1телт.--о ттроиедечия диагностироканпя трансформатора акустическим методом к нему подключается оборудование согласно схеме (см. рис. 2). «От компьютера через специальную плату подключаются акустико-эмкссионные преобразователи которые подключаются к обьекту измерениях- [7]. Также, с целью воздействия на объект контроля, к трансформаторному баку подключается имитатор акустической эмиссии (АЭ).
Особенностью проведенных экспериментов явилось сопоставление сигналов АЭ с временным сигналом потребляемой мощности силовых трансформаторов.
В большинстве случаез частичные разряды появлялись в моменты времени, соответствующие максимальной нагрузке.
ПАЭ
(
Рис. 2. Схема проведения эксперимента: ПК - персональный компьютер; УВБ - устройство ввода-вывода: К - Еоммугатор: ПАЭ - преобразователи акустической эмпссинИАЭ - кмигатор акустической эмиссии: ОИ - объект исследования
Характерная временная диаграмма отображающая частоту и дгитр-лъногть частичных раарядои ттредгтач-лена на рис. 3.
ИахдтА си. нал ?
О М 20 30 -Я) ¡О ЛО 70 Я) 100
Рис. 3. Осциллограмма акустического сигнала
Результат анализа осциллограммы показывает, что пс мере рсста кажущегося заряда количество частичных разрядов уменьшается. Далее по полученным данным определяется распределение числа разрядов, проводится объемная локация идентификации зоны повышенной разрядной активностью, а также определяется форма разрядного явления.
Нагрузка транс форматоров тяговых подстанций носит резкопеременный характер. «В момент прохождения электроподвнжного состава в определенной межподстанционной зоне происходит падение напряжения вместе
с возрастанием мощности и том» [6]. На рнс. 4 приведен трафик. отобра:кающнй изменение нагрузки тяговой подстанции, зарегистрированный ИВК «Омск» [8]
-=»■
Рис. 4. Нагрузка трансформатора тяговой подстанции «Подволошная»: 1 — мошность: 2 - ток
обсуждение результатов
Акустический метод целесообразно применять на тяговых подстанциях. Резкие перепады напряжения оказывают существенное влияние нз работоспособность трансформаторов. В отличие от трансформаторов элек-трссетсвого хозяйства в трансформаторах, эксплуатируемых в системе тягового электроснабжения, более отчетливо проявляются частичные разряды в момент прохождения поездов. Характер нагрузки железнодорожного транспорта существенно отличается от характера нагрузки районных потребителей. Это доказывает, что на подстанциях системы тягсиого электроснабжения целесообразно применять метод акустической локации частичных разрядов с обнаружением координат нахождения предполагаемого дефекта. Для определения крнтнче еккх уровней нахрузкл для раз.тчных видов ixi oábix ipawc форма, ороъ планируется провести дальнейшие исследования.
Вые оды и заключение
D результате нсследсвания проведен анализ современных методов диагностики трансформаторов определены их достоинства и недостатки, выявлено, что для трансформаторов тягового электроснабжения целесообразно применять метод акустического контроля Метод акустической эмиссии позволяет эффективно оценивать состояние силоиих трансформаторов в режиме коротких ттикотшх нагрузок при прохождении подвианого состава
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шахнин В. А.. Мироненко Я. В. Использование нечеткой логики в электрошумовой диагностике высоковольтного оборудования'/ Приборы и методы измерений, контроля качества н диагностики в промышленности и на транспорте: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием / ОмГУПС. 2013.Омск. 2013. С. 424.
2. Zhao Хш De-noising of GIS UIEF Partial Discharge Ivíoni:oring based on Wavelet Method // Procedia Environmental Sciences. 2011.No. II P. 1302.
3. Ji T. Y. Partial discharge location using a hybrid transformer winding model with morphology-based noise removal
4. Цветаев С. К. Изоляция электрооборудования. Акустическая регистрация разрядных процессов // Новости электротехники 2DOS. .42 1 (48). С. 86.
5. Карандаев А. С.. Евдокимов С. А.. Девятов Д. X.. Парсункин Б. Н.. Сарлыбаев А. А. Диагностирование силовкт* трансформаторов методом акустической локации частичных рачрядпи // Вестник TVÍTTV 701? № 1. С. 135.
6. Степанова Л Н., Серьешов А. Н._ Ивлиев В. В. [ и др.]. Акустнко-эмнссионный контроль железнодорожных конструкций. Новосибирск.: Наука. 2011. С. 272.
7. Система цифровая акустики-эмиссионная диагностическая СПАД-16.02. Руководство по эксплуатацн / СибНИИ авиации им. С. А. Чаплыгина .ФГУП. 2004.С. 51.
8. Черемиснн В. Т.. Ушаков С. Ю.. Каштанов А Л. Концепция единой автоматизированной системы учета электрической энергии натягу поездов И Транспорт Урала. 2013. Вып. 4(3 9). С. Б 3-Е б.
