CC BY
49
УДК 621.314.222.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКАЗОВ ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ВСЛЕДСТВИЕ РАЗРЯДНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ИЗОЛЯЦИИ
INVESTIGATION OF FAILURES OF SINGLE PHASE TRANSFORMERS OF VOLTAGE OF DISTRIBUTION NETWORKS CONSEQUENCES OF DISCHARGE PHENOMENA IN ISOLATION
П. В. Рысев1, А. А. Бурым2, Д. В. Рысев1
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2ПАО «Сургутнефтегаз», г. Сургут, Россия
P. V. Rysev1, A. A. Burym2, D. V. Rysev1 'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2«Surgutneftegas» Public Joint Stock Company, Surgut, Russia
Аннотация. Исследуются отказы однофазных трансформаторов напряжения, применяющихся в распределительных сетях. Цель исследования - определить, насколько соответствуют условиям работы инструкции по эксплуатации трансформаторов напряжения в районах с холодным климатом, применяемые аппараты защиты; выработать рекомендации для повышения эксплуатационной надежности. Для достижения цели были решены задачи исследования температурной зависимости электрической прочности и хроматографического анализа трансформаторного масла, компьютерного моделирования режимов работы трансформатора. В результате идентифицированы и локализованы дефекты изоляции трансформаторов напряжения с помощью хроматографического анализа масла. Предложено применить нейронную сеть для идентификации повреждений по параметрам частичных разрядов. Обоснованы практические рекомендации для повышения надежности эксплуатации трансформаторов напряжения.
Ключевые слова: отказы трансформаторов напряжения, идентификация повреждений, частичные разряды, хроматографический анализ, нейронные сети, компьютерное моделирование.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-78-84
I. ВВЕДЕНИЕ
Эксплуатация трансформаторов напряжения (ТН), в отличие от силовых, не подразумевает применения аппаратов защиты по току, кроме высоковольтных предохранителей, которые позволяют отключать поврежденный трансформатор напряжения в случае короткого замыкания. Однако срабатывание предохранителей имеет некоторые условности, такие как зависимость времени срабатывания от величины тока короткого замыкания. Поэтому предохранитель может не сработать при определенных ситуациях, например, при тлеющих разрядах, частичных разрядах.
В последнее время значительно увеличилось количество публикаций, касающихся исследования частичных разрядов [1-6]. Работы носят разнообразный характер. Наиболее часто рассматриваются силовые трансформаторы [2-6], в основном для исследования частичных разрядов применяются акустические методы [3, 5]. Сравнительно мало работ, посвященных частичным разрядам в трансформаторах напряжения [1], практически нет работ, описывающих частичные разряды в трансформаторах напряжения при отрицательных температурах окружающей среды. Это связано с меньшей стоимостью ТН и кажущейся меньшей значимостью по сравнению с силовыми трансформаторами. Однако это далеко не всегда так.
Выход из строя трансформатора напряжения, установленного на электростанции или подстанции, может привести к серьезным последствиям - повреждению соседнего оборудования, большим интервалам между размыканием контактов выключателей, что опасно рассинхронизацией генератора с сетью. Устранение последствий аварий неизбежно ведет к денежным затратам, таким как:
• затраты на замену вышедшего из строя оборудования (как минимум трансформаторов напряжения);
• упущенная прибыль из-за недоотпуска электроэнергии и простоя производства;
• затраты на запуск турбогенератора.
Следовательно, поддержание нормального технического состояния даже такого незначительного по стоимости элемента, как трансформатор напряжения, оказывает существенное влияние на надежность функционирования электроэнергетической системы.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В исследовании была рассмотрена авария на одной из подстанций, работающей в условиях холодного климата. Причиной аварии было короткое замыкание в трансформаторе напряжения, отключение которого привело к рассинхронизации генератора с сетью и последующей его остановке, следствием чего стали значительные денежные затраты при восстановлении нормальной работы электрической сети.
Поскольку для трансформаторов напряжения предусматривается только защита предохранителями, то в процессе эксплуатации необходимо прогнозировать и своевременно устранять дефекты трансформаторов, аварии из-за которых не могут быть корректно отключены существующими защитными аппаратами.
В свете изложенного необходимо исследовать зависимость электрической прочности трансформаторного масла от температуры с учетом фактора частичных разрядов, оценить достаточность указаний в паспорте по обслуживанию трансформаторов напряжения для обеспечения надежной работы ТН, а также необходимость в получении дополнительной информации о состоянии изоляции и магнитопровода трансформаторов напряжения. Для решения этих задач необходимо изучить причины аварий в трансформаторах напряжения, опираясь на практический опыт и компьютерное моделирование.
III. ТЕОРИЯ
Для анализа причин выхода из строя трансформаторов напряжения была собрана статистика по авариям трансформаторов напряжения. Общее количество отказов сравнительно невелико, однако исследуемые электрические сети не обладают большой протяженностью. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что трансформатор напряжения является весьма повреждаемым элементов электрической сети - менее надежным в сравнении с силовыми трансформаторами, с которыми схож конструктивно.
Объектом исследования является однофазный масляный трансформатор напряжения типа НОМ-35. Для представления общей статистики отказов ТН были исследованы отказы трансформаторов напряжения в электрических сетях нефтегазодобывающего управления (НГДУ). Выборка сделана за 2011-2017 годы. Всего за этот период времени трансформаторы отказывали 6 раз: 1 раз в 2011, 2 в 2016 и 3 в 2017 г.
По результатам работы комиссии были установлены следующие причины выхода трансформаторов из строя: износ материалов и недостатки эксплуатации (по 2 шт.), ошибки персонала и атмосферные воздействия (по 1 шт.).
Наибольший интерес представляют отказы НОМ-35 за 2017 год, которые произошли из-за короткого замыкания трансформатора. В частности, так и не была определена причина возникновения короткого замыкания в обмотке трансформатора.
Для анализа причин отказов НОМ-35 был построен график кривой интенсивности отказов (рис. 1). Эту кривую можно разделить на несколько периодов: первый - период ранних отказов, второй - период статических отказов и третий - окончание службы.
Для НОМ-35 заводом-изготовителем установлен средний срок службы 25 лет, однако не установлено среднеквадратичное отклонение от этого времени. Поэтому если ориентироваться именно на 25 лет, то период в 5 лет от начала эксплуатации до момента аварии справедливо будет отнести к периоду ранних отказов. В ходе исследования рассмотрены основные факторы, влияющие на износ изоляции трансформатора напряжения и на увеличение интенсивности ранних отказов.
Л, год1 0,12
ОД 0,08 0,06 0,04 0,02 0
Т, год
Рис. 1. График кривой интенсивности отказов НОМ-35
20
25
Такими факторами являются:
• дефекты в изоляции на стадии изготовления, то есть наличие включений в трансформаторном масле (газы, вода, кислоты, смолистые соединения);
• дефекты в магнитопроводе;
• нарушения при сборке и транспортировке;
• температура окружающей среды.
Чтобы проверить эти предположения, был выведен из эксплуатации аналогичный отказавшему трансформатор напряжения, исследовано состояние его изоляции и магнитопровода.
IV. Результаты экспериментов
Так как климатические условия эксплуатации трансформатора напряжения содержат длительные периоды работы при низких и экстремальных температурах, необходимо было проверить влияние температуры на состояние бумажно-масляной изоляции. Для этого были произведены испытания образцов трансформаторного масла из трансформатора, аналогичного отказавшему НОМ-35 на пробой. Испытания производилось при предварительном охлаждении образцов масла до отрицательных температур.
По результатам испытаний на пробой был получен график зависимости электрической прочности масла от температуры (рис. 2). Данный график характерен для трансформаторного масла, применяемого в силовых и измерительных трансформаторах.
Рис. 2. График зависимости напряжения пробоя трансформаторного масла от температуры
Из графика видно, что при температуре от -10 до 5 градусов напряжение пробоя получилось минимальное и не соответствует норме; в промежутке температур от 5 до 18 градусов электрическая прочность соответствует нормативным значениям [7].
Для выявления дефектов изоляции либо магнитопровода был произведен хроматографический анализ проб масла, в ходе которого проводилась проверка трансформаторного масла на концентрацию основных газов (табл.1).
Важно отметить, что указания [7] рассчитаны на анализ масла высоковольтного оборудования классов напряжения 110 кВ и выше. В паспорте трансформатора заводом изготовителем плановое обследование состояния изоляции также не включает хроматографический анализ, несмотря на то что он является одним из наиболее точных способов выявления дефектов в изоляции
ТАБЛИЦА1
КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ В ТРАНСФОРМАТОРНОМ МАСЛЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ХРОМАТОГРАФЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Анализируемый газ Н2 СН4 С2Н6 С2Н2 С2Н4 СО СО2
Норма концентрации согласно [7] 0,0100 0,0100 0,0050 0,0010 0,0100 0,0600 0,6000
Концентрация при анализе 1,2809 1,1787 0,4124 0,0006 0,0019 0,0129 0,1463
Превышение нормальной концентрации В 128 раз В 118 раз В 82 раза Нет превышения Нет превышения Нет превышения Нет превышения
По результатам анализа определено, что основные газы C2H6) превысили норму в десятки раз, что
говорит о ненормальном состоянии трансформаторного масла.
Для рассмотрения влияния конструктивных особенностей трансформатора на нагрев магнитопровода и обмоток была построена виртуальная модель трансформатора с помощью программного комплекса Comsol Mul-tiphysics (рис. 3).
Рис. 3. Результаты моделирования в Comsol Multiphysics
При моделировании изменялись величины напряжений и токов в обмотке. Были определены места с локальными повышениями напряженности магнитного поля в обмотке и магнитного потока в магнитопроводе. В магнитопроводе наибольшие значения потока наблюдались во внутренних углах и центральных частях, в обмотке - в области, приближенной к центру поперечного сечения.
V ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты исследования проб масла на пробой (рис. 2) объясняются тем, что в диапазоне температур от -10 до 5 градусов вода в масле превращается из растворенного состояния в эмульсию, которая повышает неоднородность электрического поля [8]. Повышается вероятность образования частичных разрядов и газообразования. Таким образом, испытание масла на пробой при различных температурах показывает, что если в теплое время года масло, содержащее некоторый процент влаги, имеет соответствующую норме электрическую прочность, то в осенне-зимний период она значительно снижается, что серьезно повышает вероятность пробоев изоляции ТН.
На основании хроматографического анализа масла (табл. 1) показано, что для достижения критических значений концентрации газам требуется меньшее время в трансформаторе напряжения класса 35 кВ, чем, например, в силовом трансформаторе, вследствие меньшего объема масла. Отсюда следует, что для оценки скорости увеличения концентрации газов в ТН класса 35 кВ, нужна некоторая корректировка формул, приведенных в [7].
Определим дефект изоляции согласно методике [7]:
Проверка условий разряда:
^ > 0,1 ^ > 0,5 (1)
С2Н4 Н2
^ < 0,1 СН4 < 0,5 (2)
С2Н4 Н2
Определение дефектов по перегреву масла
С2Н2 0,00063 _ „ ...
=-= 0,3 ^ перегрев (3)
С2Н4 0,00189 ^ ^ 4 '
СН4 1,17867 - __ ...
4 , = 0,92 ^ перегрев (4)
- = 0,005. (5)
Н2 1,28095 С2Н4 0,00189
С2Н6 0,4123
Исходя из полученных результатов, в соответствии с методикой [7], определяем дефект как «местный перегрев сердечника из-за концентрации потока, возрастание температуры горячей точки. Частичные разряды, искрение и пробой масла между обмотками или между катушками на землю».
Так как время от начала эксплуатации до момента обнаружения дефекта составило 6 лет, то дефект является медленно развивающимся [7].
Таким образом, применение хроматографического анализа позволило определить наличие дефекта в изоляции, его характер и степень опасности и указало на необходимость вывода из эксплуатации.
По результатам моделирования в Comsol Multiphysics (рис. 3) были определены локальные места с повышенной напряженностью электрического и магнитного поля, которые могут способствовать повышенному нагреву сердечника, что и подтвердилось результатами проведенного хроматографического анализа. Разряды малой мощности, вероятнее всего, могут быть между витками первичной обмотки либо между первичной и вторичной обмотками; в порах электрокартона.
Для проверки результатов анализов и моделирования был разобран трансформатор НОМ-35, аналогичный отказавшему и эксплуатируемый на этой же подстанции (рис. 4).
Рис. 4. Дефекты магнитопровода трансформатора НОМ-35 в виде царапин и вмятин
При разборке трансформатора была проанализирована возможность наличия брака при изготовлении трансформатора. В результате осмотра было обнаружено, что листы электротехнической стали торцевой части магнитопровода не прижаты к корпусу трансформатора и не прилегают друг к другу плотно, подобно продольным боковым частям, как предусмотрено заводом-изготовителем. На торцевой части магнитопровода обнаружены глубокие царапины и вмятины (рис. 4), которые шунтируют изоляцию между листами и могут создавать короткозамкнутые контуры, что способствует локальному возрастанию вихревых токов и, следовательно, дополнительному нагреву.
Отдельно отметим, что места с повышенной напряженностью электромагнитного поля в магнитопроводе виртуальной модели трансформатора совпадают с местами дефектов, обнаруженных при разборке трансформатора. Так как результаты хроматографического анализа содержат вывод о перегреве магнитопровода, то моделирование трансформатора в программе ComsoLMultiphysics дополняет эти результаты и показывает, что конструктивные особенности обмотки и магнитопровода могут являться факторами, повышающими нагрев обмотки магнитопровода и трансформатора.
Для идентификации типа и места дефекта изоляции ТН предлагается реализовать систему диагностики, основанную на оценке параметров частичных разрядов с помощью искусственной нейронной сети.
Нейронная сеть состоит из двух слоев: внутреннего и выходного, каждый слой содержит определенное количество нейронов, зависящее от сложности поставленной задачи, от количества входных данных. Данные можно задать в виде таблицы.
Первый столбец содержит выходные данные - ответ нейронной сети на определенную комбинацию чисел. В качестве ответа может быть вероятность возникновения пробоя изоляции. Остальные столбцы содержат входные данные (комбинации чисел) - параметры частичных разрядов, такие как кажущийся заряд, длительность фронта импульса и, кроме параметров частичных разрядов, зависимость пробивного напряжения от температуры, которая была получена в ходе эксперимента с пробоем охлажденного трансформаторного масла.
Диапазон чисел от 1 до 20 соответствует дефекту «Частичный разряд между проводником, находящимся под плавающим потенциалом. Стоит отметить, что важный параметр частичного разряда, такой как кажущийся заряд, можно определить по амплитуде напряжения, зная емкость изоляционного промежутка [9].
Нейронная сеть обучается по алгоритму Левенберга-Марквардта [10] с обратным распространением ошибки (рис. 5) - метод вычисления градиента, который используется при обновлении весов многослойного перцеп-трона. Обучающие данные взяты из экспериментальных результатов [9].
А Neural Network Training Performance (plotperform), Epoch 81, Validatio... — с X
File Edit View jnsert Jools Desktop Window Help -
Best Validation Performance is 0.0014664 at epoch 75
Va lidat io n -Test Best
I 10° £ о
Ш "О и (О с (С tu S -1 >
10 20 30 40 50 60 70 81 Epochs 00
Рис. 5. График изменения ошибки при обучении нейронной сети
Обучение нейронной сети занимает некоторое количество итераций, называемых эпохами. Если количество итераций, затраченное на уменьшение ошибки при обучении, удовлетворяет ожидаемому количеству, то можно переходить к проверке работы нейронной сети (рис. 6).
» simfnet, [0.11;180;10;3])
ans =
5.4555
Рис. 6. Проверка работоспособности нейронной сети
Введение команды для получения ответа. В результате ввода команды $1т(пеЦ0Л1;180;30.3]), числа в которой соответствуют первой строке во входных данных, ответ попал в диапазон от 1 до 20. Отсюда следует, что нейронная сеть обучена находить определенный дефект в изоляции по параметрам частичного разряда.
VI. Выводы и заключение
В исследовании показано, что трансформаторы напряжения являются весьма важными элементами электроэнергетических систем, несмотря на свою невысокую стоимость. Аппараты защиты, а также процедуры проверки состояния трансформаторов напряжения, которые проводятся сейчас согласно инструкциям, недостаточно эффективны. Многие процедуры, выполняемые для силовых трансформаторов и позволяющие значительно повысить эксплуатационную надежность работы, не применяются для трансформаторов напряжения. Для повышения надежности работы трансформаторов напряжения и энергосистем вообще, необходимо внедрение системы мониторинга состояния трансформаторов, основанной на измерении параметров частичных разрядов, с дальнейшей идентификацией по ним дефектов трансформаторов и реализованной на основе нейронной сети.
Кроме того, разработаны следующие практические рекомендации по повышению надежности трансформаторов напряжения:
1) проводить испытания трансформаторного масла на электрический пробой при низких температурах;
2) проводить хроматографический анализ масла на концентрацию основных газов;
3) при превышении нормы концентрации основных газов и обнаружении скрытых дефектов отменить дальнейшую эксплуатацию.
Список литературы
1. Yutthagowith P., Prombud T., Leelachariyakul B. Development of a resonant frequency converter for partial discharge tests on potential transformers // Harmonics and Quality of Power (ICHQP). 2018. 18th International Conference on Ljubljana, Slovenia. 13-16 May 2018. Р. 1-5. DOI: 10.1109/ICHQP.2018.8378932.
2. Kunicki M., Cichon A., Borucki S. Measurements on partial discharge in on-site operating power transformer: a case study // IET Generation, Transmission & Distribution. 2018. Vol. 12, Iss. 10. Р. 2487-2495. DOI: 10.1049/iet-gtd.2017.1551.
3. Yan-Bo Wang [et al.]. Acoustic localization of partial discharge sources in power transformers using a particle-swarm-optimization-route-searching algorithm // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2017. Vol. 24, Iss. 6. Р. 3647-3656. DOI: 10.1109/TDEI.2017.006857.
4. Mohseni B., Hashemnia N., Islam S. Online detection of partial discharge inside power transformer winding through IFRA // Power & Energy Society General Meeting. 2017 IEEE. 16-20 July 2017. Р. 1-5. DOI: 10.1109/PESGM.2017.8273725.
5. Pagi Ferreira D. A., Correa Altafim R. A., Inocencio de Sousa F. S. Detection of acoustic emissions from partial discharges in distribution transformers with piezoelectret transducers // Electrical Insulation and Dielectric Phenomenon (CEIDP). 2017 IEEE Conference on Fort Worth. TX, USA. 22-25 Oct. 2017. Р. 381-384. DOI: 10.1109/CEIDP.2017.8257599
6. Guan-Jun Zhang [et al.]. Separation of multiple partial discharge sources in power transformer // High Voltage Engineering and Power Systems (ICHVEPS). 2017 International Conference on Sanur, Indonesia. 2-5 Oct. 2017. Р. 12-17. DOI: 10.1109/ICHVEPS.2017.8225857.
7. РД 153-34.0-46.302-00 Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле. М.: РАО ЕЭС России, 2001.
8. Вдовико В. П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Новосибирск: Наука, 2007. 155 с.
9. Русов В. А. Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. Екатеринбург: УрГУПС, 2011. 370 с.
10. James S. Smith, Bo Wu, Bogdan M. Wilamowski Neural Network Training With Levenberg-Marquardt and Adaptable Weight Compression // IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems. 2018. Vol. PP, Iss. 99. Р. 1-8. DOI: 10.1109/TNNLS.2018.2846775.
УДК 621.313.322-843.8
ОГРАНИЧЕНИЕ СЛАБОДЕМПФИРОВАННЫХ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ПОДСИНХРОННЫХ ЧАСТОТАХ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ
LIMITATION OF WEAKLY DAMPED TORSIONAL VIBRATIONS OF POWER STATIONS OF SHAFT
LINES AT SUBSYNCHRONOUS FREQUENCIES IN DISTRIBUTED GENERATION POWER SYSTEMS
Д. В. Рысев1, П. В. Рысев1, В. С. Сердюк1, К. С. Шульга1, Н. Н. Лизалек2 'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Институт автоматизации энергетических систем, г. Новосибирск, Россия
D. V. Rysev1, P. V. Rysev1, V. S. Serdyuk1, K. S. Shulga1, N. N. Lizalek2
'Omsk state technical university, Omsk, Russia 2IAES, Novosibirsk, Russia
Аннотация. Изучалась возможность ограничения амплитуды крутильных колебаний валопровода турбоагрегата введением дополнительных блоков в автоматический регулятор возбуждения генератора. Разработана математическая модель энергосистемы, включающая электрическую и механическую подсистемы турбины. Приведена структурная схема автоматического регулятора возбуждения. Внедрен квадратичный контроллер, позволяющий уменьшить амплитуды крутильных колебаний. Проведено моделирование системы без контроллера и с ним. Получена зависимость амплитуд крутильных колебаний от коэффициента усиления контроллера. По данной зависимости можно сделать вывод, что увеличение коэффициента квадратичного контроллера позволяет уменьшить амплитуды колебаний.
