Комплексная оценка технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов с помощью аппарата нечёткой логики Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Средние за время хода расчетного поезда по МПЗ потери мощности, кВт 1530 1146 883

Экономия потерь электроэнергии за год по сравнению со случаем отсутствия КУ кВт* ч/год - 108572 181474

Энергетическая эффективность регулируемой КУ по отношению к нерегулируемой, кВт* ч/год - - 72902

Таблица 3

Энергетическая эффективность регулируемой КУ

Вывод. Современные средства управления на основе силовой электроники, технологий контроля электрических величин, передачи и обработки информации позволяют выйти на новый принципы управления устройствами электроснабжения, с привлечением законов регулирования,

сформированных по заданным критериям оптимизации. Это позволит реали-зовать резервы СТЭ по энергоэффективности.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1983. 184 с.

2. Бородулин Б.М., Герман Л.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1976. 136 с.

3. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1/ Под ред. К.Г. Марквардта.- М.: Транспорт, 1980.- 256 с.

Алексеев В.А., Лукьянов А.В. УДК 620.424.1

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТА НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Система обслуживания по фактическому состоянию. На сегодняшний день применяемая в промышленности планово-предупредительная система обслуживания и ремонта (ППР) является основной и наиболее методически обеспеченной. Она используется на предприятиях, где важные машины, относящиеся к основному оборудованию, не имеют дублирования, и где непредусмотренные остановки производства могут привести к большим потерям. К таким предприятиям, в частности, относятся предприятия связанные с получением, преобразованием и распределением электроэнергии. Цель планово-предупредительной системы обслуживания и ремонта заключается в исключении отказов основного электрооборудования и непредвиденных расходов путём планирования проведения технического обслуживания ранее момента среднестатистического отказа с за-

данной вероятностью. Однако сложность конструкций современного основного электрооборудования характеризуется разнообразием входящих в них узлов по характеру и степени нагрузок и, как следствие, различными уровнями их надёжности. В реальных условиях эксплуатации не существует функциональной взаимосвязи между наработкой или сроком эксплуатации и техническим состоянием оборудования, если не присутствуют эрозийные формы износа и разрушения деталей оборудования, линейно связанные с наработкой. Поэтому оптимальных сроков выполнения технического обслуживания и ремонта для сложного оборудования в целом практически не существует.

Для групп однотипного оборудования многообразие и стохастический характер воздействия климатических условий, эксплуатационных факторов (режимов и продолжительности работы, ха-

рактеристик рабочей и окружающей среды, продолжительности эксплуатации, качества технического обслуживания и ремонта) приводят к тому, что при одной и той же продолжительности эксплуатации однотипное электрооборудование имеет различное фактическое техническое состояние. Поэтому, можно сделать вывод, что, если система ППР широко применяется для всего парка оборудования предприятия, весьма вероятно, что выполняется значительный объем обслуживания и ремонта бездефектного оборудования, что в свою очередь ведёт к повышению эксплуатационных затрат предприятия. К тому же, надёжность работы электрооборудования после запланированного технического обслуживания временно снижается вследствие потока послеремонтных отказов.

Теоретические исследования и опыт эксплуатации электрооборудования за рубежом показывают, что наиболее эффективной и перспективной является система технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию (ОФС) в сочетании с использованием в ограниченных пределах стратегий технического обслуживания и ремонта по наработке. Основным принципом стратегии обслуживания и ремонта по состоянию можно считать принцип соблюдения плановости выполнения части стандартных регламентных операций по наработке, работ по техническому диагностированию и контролю объектов. Регулировочные, демонтажно-монтажные, восстановительные работы на объектах выполняются только по результатам диагностирования и контроля. Эта стратегия получила название планово-диагностической системы ремонта (ПДР) [1].

Для внедрения новой стратегии при обслуживании и ремонте оборудования подстанций необходима единая, тщательно проработанная методологическая база, которой на данный момент не существует. Так, например, трансформаторное оборудование, как правило, контролируется хроматографией и физико-химическим анализом масла, и если в ходе испытаний проб масла выявляются какие-либо аномалии, техническое руководство служб изоляции и защиты от перенапряжений принимает решение о дополнительных электрических измерениях с целью уточнения места и характера дефекта. Однако в ряде случаев анализ масла не может выявить неисправность до тех пор, пока она не приведёт к значительным повреждениям, что, в свою очередь, может привести к внезапным отказам. Такой подход к диагностированию может дать, с некоторой погрешностью, ответ на вопрос: работоспособен трансформатор или нет, но не может показать, каким остаточным ре-

сурсом он обладает. Не имея же информации об остаточном ресурсе, невозможно говорить о планировании технического обслуживания и ремонта. Исходя из этого, можно сказать, что для перехода к ремонту по фактическому состоянию задачей первостепенной важности является разработка теоретической базы для проведения комплексной оценки технического состояния всей номенклатура электрооборудования.

В данной статье рассматривается возможность использования алгоритмов нечёткого логического вывода для комплексной оценки технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов. Аппарат нечёткой логики позволяет, используя разнородные данные, полученные в ходе различных измерений и испытаний, которые включают в себя хроматографический анализ растворённых в масле газов, физико-химический анализ масла, электрические методы контроля, вибрационный контроль, тепловизионный контроль, получить заключения о техническом состоянии отдельных элементов трансформатора (изоляции, магнитопровода, обмоток, внутренних контактных соединений, трансформаторного масла), правильно оперируя которыми можно установить состояние трансформатора в целом.

Типы диагнозов и параметры состояния силового трансформатора. Степень повреждённо-сти силового трансформатора будем определять исходя из следующих классов технической надёжности:

Б1 - исправное состояние (возможна дальнейшая эксплуатация трансформатора без ограничений)

Б2 - неисправное состояние (дальнейшая эксплуатация трансформатора возможна только с ограничениями по времени или режиму работы)

Б3 - предельное состояние (требуется немедленный вывод трансформатора из эксплуатации)

Перечисленные классы Б1 Б3 будем считать типами диагнозов, которые подлежат распознаванию. При установлении диагноза для конкретного трансформатора будем принимать во внимание основные параметры состояния [2,3], таблица 1.

Данные параметры сгруппированы по видам измерений и испытаний и имеют следующую структуру:

• Хроматографический анализ растворённых в масле газов: параметры х1 ^ х11;

• Физико-химический анализ масла: х12 х17;

• Электрические методы контроля: х18 х25;

• Вибрационный контроль: х26 ^ х27;

• Тепловизионный контроль: х28;

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Таблица 1

xi Названия основных параметров состояния х{ Названия основных параметров состояния

Х1 С2Н2/ С2Н4 Х15 температура вспышки

Х2 СН4/Н2 Х1б tgd масла при температуре 700С

Х3 С2Н4/ С2Н6 Х17 влагосодержание масла

Х4 СО2/СО Х18 коэффициент абсорбции

Х5 концентрация Н2 Х19 коэффициент поляризации

Хб концентрация СН4 Х20 тангенс угла диэлектрических потерь изоляции

Х7 концентрация С2Н2 Х21 потери холостого хода

Х8 концентрация С2Н4 Х22 сопротивление короткого замыкания

Х9 концентрация С2Н6 Х23 сопротивление изоляции

Х10 концентрация СО Х24 сопротивление обмоток постоянному току

Х11 концентрация СО2 Х25 измерение ЧР

Х12 пробивное напряжение Х2б коэффициент прессовки обмоток

Х13 кислотное число Х27 коэффициент прессовки магнитопровода

Х14 водорастворимые кислоты и щелочи Х28 показания тепловизора (оценивается экспертом)

Нечеткая база знаний. Параметры состояния х1 х28 будем рассматривать как лингвистические переменные. Для оценки значений лингвистических переменных х1 х28 используем единую шкалу качественных термов: Н - низкий, С -средний, В - высокий (для параметров х1 х3 -отношения концентрации пар газов), УД - удовлетворительно, НЕУД - неудовлетворительно (для параметров х4 ^ х28). Каждый из этих термов представляет собой нечеткое множество, заданное с помощью соответствующей функции принадлежности. [4]

Введём классы входных переменных состояния трансформатора, также представляющие собой лингвистические переменные: Х1 - состояние изоляции; Х2 - состояние магнитопровода; Х3 - состояние обмоток;

Х4 - состояние внутренних контактных сое дине -ний;

Х5 - состояние трансформаторного масла. Для оценки классов входных переменных состояния Х1 ^ Х5 будем использовать множество термов:

А11 - нормальное старение изоляции (Б1); А12 - ускоренное старение изоляции (электрическое старение) (Б2);

А13 - ускоренное старение изоляции (тепловое старение) (Б2);

А14 - увлажнение изоляции (Б2);

Ais - загрязнение изоляции (D2);

A2i - нормальное состояние магнитопровода (D1);

A22 - перегревы в магнитопроводе (150-3 000С)

(D3);

A23 - перегревы в магнитопроводе (300-700°С)

(D3); 0

A24 - перегревы в магнитопроводе (>7000С) (D3);

A25 - ослабление прессовки магнитопровода (D2);

A31 - нормальное состояние обмоток (D1);

A32 - витковые замыкания в обмотках (D3);

A33 - деформация обмоток (D3);

A34 - ослабление прессовки обмоток (D2);

A41 - исправные контактные соединения (D1);

A42 - нагрев контактных соединений (<150 0C)

(D2); 0 A43 - нагрев контактных соединений (150-300 C) (D3); 0

A44 - нагрев контактных соединений (300-700 0C) (D3); 0

A45 - нагрев контактных соединений (>700 0C)

(D3);

A51 - нормальное старение масла (D1);

A52 - загрязнение масла (D1);

A53 - ускоренное старение масла (окисление) (D2);

A54 - плохая циркуляция масла (D2).

Нечёткие логические уравнения. Используя матрицы знаний, пример которых показан в таблице 2, и операции • (И - min) и v (ИЛИ - max), запишем систему нечетких логических уравнений.

Таблица 2

Пример матрицы знаний

Параметры состояния Классы входных

переменные

Х2 х3 Х4 Х10 Х12 Х[Э ВД Х16 Х17 48 XI9 У-23 XI

н с н УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД Ап

с с с УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД

в с в УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД

н в н УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД

а В с УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД

н В в УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД УД

к Н н УД НЕУД НЕУД УД УД УД УД УД УД НЕУД УД УД НЕУД Аи

в н н НЕУД НЕУД НЕУД НЕУД УД УД НЕУД УД УД НЕУД УД УД НЕУД

н с с НЕУД УД НЕУД НЕУД НЕУД НЕУД НЕУД УД УД НЕУД УД УД НЕУД Ан

н н н уд НЕУД УД уд уд уд уд НЕУД НЕУД уд НЕУД НЕУД НЕУД А|4

в н н НЕУД НЕУД УД НЕУД УД УД НЕУД НЕУД НЕУД УД НЕУД НЕУД НЕУД

н н н УД НЕУД УД УД УД УД УД УД УД УД НЕУД НЕУД НЕУД Аи

в н н НЕУД НЕУД УД НЕУД УД УД НЕУД УД УД УД НЕУД НЕУД НЕУД

]1А13=ЦН(Х1) • цн(х2) • цН(х3) • • ЦНЕУД(Х5) . ЦУД(Х7) . ^НЕУД(Х1о) . ДУД(Х12).

^Д(Х13) • цуд(х15). цУД(х16)• цуД(х17) • ^Д(Х18) • ^НЕУД(Х19). цуд(х2[|) . цуд(х2з) . ДНЕУД(х25) • ЦНЕУД(Х2д) УР.В(Х1) . рН(Х2) . рН(Хз) . дНЕУД^) . цНЕУД^) . ^УД(Х?) .

дНЕуД(х10) • цНЕуД(х12). ц.уД(х13). ц.уд(х15) • |1НЕуД(х16) • ^Д(х17) • цуД(х13) •

В табл. 2 даётся пример матрицы знаний состояния изоляции и нечёткого логического уравнения для случая ускоренного старения изоляции (электрического старения).

Функции принадлежности. Для нахождения функций принадлежности параметров состояния используем единую аналитическую модель.

Для этого приведем интервалы изменения каждой переменной к одному универсальному интервалу [0,1] с помощью следующих соотношений:

П (х1 )=п 1 (и ), (1)

[х,, X \

и = X - х

X - х1' ] = УД, НЕУД,

(2)

где , х^ - интервал изменения переменной х;.

Тогда аналитическая модель функций принадлежности будет иметь следующий вид

П1 (и )=-г^т. (3)

1 +

и - Ь

термов одинаково). Чем больше С, тем выше на графике будет находиться точка неопределённости. Параметр Ь показывает, какая из двух функция вычисляется в данный момент (снижающаяся от единицы до нуля или возрастающая от нуля до единицы).

Например, определим функции принадлежности для х12 = 34 кВ.

Неудовлетворительно:

34-30

40-30

Ъ := 0

и= 0.4

0.5

ц<и) = 0.61

1 +

и- Ь

Удовлетворительно:

34-30

40-30

Ки):=

Ъ := 1

и= 0.4

с := 0.5

1 +

и- Ь

= 0.41

Параметр С определяет значения функций принадлежности в точке неопределённости (точке на графике функции принадлежности, в которой значение функции принадлежности для разных

Т.е. х5 принадлежит терму «неудовлетворительно» со степенью принадлежности, равной 0.61, а терму «удовлетворительно» - со степенью, равной 0.41.

На рисунке 1 приведёна графическая иллюстрация функции принадлежности.

С

Алгоритм принятия решения. Нечеткие логические уравнения вместе с функциями принадлежности нечетких термов позволяют принимать решение о степени повреждённости силового трансформатора по следующему алгоритму:

1. Зафиксируем значения параметров состояния силового трансформатора

т^ж / ж ж Ж \

Л = , Х2 Х28 )

2. Определим значения функций принадлежности / (х ) при фиксированных значениях

параметров х{ ,1 = 1...28 .

3. Используя логические уравнения, вычислим значения функций принадлежности

Ат м * * * I

/ 1х1 ,х2 ,...,х28 I при векторе состояния

Т^ж / Ж ж ж I

Л = ^ , Х2 V5 X28 ! •

При этом, логические операции И (• ) и ИЛИ (V ) над функциями принадлежности заменяются операциями определения min и max:

¿и(а )• ju(b ) = min [и(а ), /u(b )], (4) ¿и(а )v ju(b ) = max [и(а ), /u(b )]

4. При степени принадлежности одного или более элементов множества термов An...Amj превышающей 0.5, элемент или элементы с такой степенью принадлежности принимаются как установленные неисправности, которым соответствуют свои классы технической надёжности. При

этом, если хотя бы один элемент трансформатора имеет степень повреждённости более высокую, чем остальные элементы, то трансформатору присваивается класс надёжности соответствующий классу надёжности наиболее повреждённого элемента [5].

Пример расчёта технического состояния силового маслонаполненного трансформатора напряжением 110 кВ.

Электроустановка: подстанция Октябрьская Объект: Т-1.

Дата проведения измерений: 17. 02. 2009 г. Климатические условия: Тв= -20°C, 1;м= + 36°C.

1. Фиксируем значения параметров состояния силового трансформатора

т^Ж I Ж Ж Ж I

X = 1-Х ,x2 x28 I и определяем значения функций принадлежности ^J(xj*) при фиксированных значениях параметров x¿ ,i = 1...28 . Заносим

данные в таблицы 3 и 4.

Вычислим вычислим значения функций

Am / i * * *i

принадлежности для всех [I ' x ,x2 x28 I

Т^ж / Ж ж ж \

X = \x1 , x2 ,..., x28 ) A15

: 0,08, |A14 = 0, Ц

0,

при векторе состояния |A11 = 0,212, |A12 = 0, |A13 |A21 = 0,08, |A22 = 0, |A23 = 0,08, |A24 |A31 = 0,212, |A32 = 0,08, |A33 = 0, |A34 = 0, |A41 = 0,08, |A42 = 0,08, |A43 = 0, |A44 = 0, |A45 = 0,65, |A51 = 0,379, |A52 = 0,236, |A53

0,317, |A25 = 0,

: 0,236, |A54 = 0,236.

Таблица 3

Значения функций принадлежности для параметров состояния x, x3

Xj* Значения параметров состояния Значения( )ункций принадлежности

^H(Xj*) ¿V)

Xi 0,009 1 0,378 0,071

X2 2,332 0 0,14 1

X3 5,398 0 0,08 1

Таблица 4

Значения функций принадлежности для параметров состояния х4 х28

х1* Значения параметров Значения функций принадлежности

состояния ДУД(Х1*) ДШУД(Х1*)

Х4 8,511 0,985 0,221

Х5 0,0193 0,212 0,995

Хб 0,045 0,047 1

Х7 0,0012 0,41 0,61

Х8 0,122 0 1

Х9 0,0226 0,047 1

Х10 0,0356 0,664 0,376

Х11 0,303 0,797 0,309

Х12 39 0,962 0,236

Х13 0,29 0,384 0,65

Х14 0,006 0,949 0,58

Х15 118 0,379 0,659

Х16 6,7 0,69 0,361

Х17 0,00143 0,753 0,329

Х18 1,67 1 0,167

Х19 2,83 0,745 0,333

Х20 1,13 0,937 0,248

Х21 1,16 0,779 0,317

Х22 Испытания проводились -

Х23 0,81 0,874 0,276

Х24 3,7 0 1

Х25 Испытания проводились -

Х26 0,91 0,832 0,294

Х27 0,89 0,768 0,322

Х28 Удовлетворительно

Элемент множества А45, - нагрев контактных соединений (>700 0С), - единственный из множества термов Ац.. ,Ат имел степень принадлежности, превышающую 0.5, цА45 = 0,65. Трансформатору был присвоен 3 класс надёжности (немедленный вывод трансформатора из эксплуатации). Он был отправлен на внеплановый ремонт, в ходе которого было установлено, что вследствие длительного влияния токов, превышающих номинальное значение, произошло обгорание контактных соединений ПБВ (переключающего устройства для регулировки напряжения без возбуждения). Хроматография смогла выявить неисправность только тогда, когда она стала критической, и потребовался немедленный вывод трансформатора из эксплуатации. Если бы состояние трансформатора отслеживалось регулярно и полно, данный дефект удалось бы ликвидировать ещё на ранней стадии развития при запланированной остановке трансформатора.

Таким образом, можно сделать ряд выводов.

1. Техническое состояние силового трансформатора характеризуется большим количеством параметров состояния. При большом числе разнородных параметров, задача оценки технического со-

стояния усложняется. Для её решения возможно использовать аппарат нечёткой логики, который позволяет оперировать разнородными данными. Также нечёткая логика позволяет уйти от высказываний типа "такой-то параметр принадлежит данному множеству", поскольку необходимо будет указать, с какой степенью конкретный параметр удовлетворяет свойствам данного множества, а это значит, что параметр может принадлежать разным множествам с различной степенью принадлежности. Данное свойство позволяет сделать систему комплексного анализа более гибкой, в сравнении с системами, работающими на других математических аппарата. Также следует отметить, что с помощью обучающей выборки для точной настройки нечеткой модели, она может постоянно совершенствоваться.

2.Разработана простая, не требующая многоходовых расчётов методика для комплексной оценки технического состояния силовых трансформаторов, работа которой была показана на конкретном примере.

3. Переход от системы ППР к системе обслуживания по фактическому состоянию является одной из наиболее важных задач, решение которой необходимо для дальнейшего развития отечественной

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

энергетики. Разработка методики для комплексной 2. оценки технического состояния всей номенклатуры электрооборудования является первой ступенью в переходе от системы ППР к системе обслу- 3. живания по фактическому состоянию.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Лукьянов А.В. Управление техническим со- 4. стоянием роторных машин (система планово-диагностического ремонта). - Иркутск, Изд. ИрГТУ, 2000. - 230 с. 5.

Объём и нормы испытаний электрооборудования. - 6-е изд. перераб. и доп. РД 34.45-51.300-97.М.: Изд. НЦ ЭНАС, 2001. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов по результатам хромато-графического анализа газов, растворённых в масле силовых трансформаторов. РД 34.46.302-89. М.: ВНИИЭ, 1989. - 28 с. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применения к принятию приближенных решений. - М: Мир, 1976. - 165 с. Ротштейн А.П. Медицинская диагностика на нечёткой логике. Винница: Континент.

Гоппе Г.Г.

УДК 681.51

ДИНАМИЧЕСКАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В КОМПЛЕКСЕ ТУРБОМЕХАНИЗМ -ТРУБОПРОВОДНАЯ МАГИСТРАЛЬ ПРИ ДВУХ СПОСОБАХ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ

Общие положения

Потоки жидкостей и газов, транспортируемых по трубопроводным магистралям, представляют большой интерес с точки зрения управления. Известно, что причиной движения потоков является действие сил тяжести или давления, создаваемого насосами, вентиляторами, компрессорами. Транспортируемые продукты в технологических производствах ограничены емкостями, аппаратами, трубопроводами.

Взаимосвязь между действующими силами и характером движения потоков продуктов определяется как свойствами последних, так и геометрической формой, размерами аппаратов и характеристиками установленной арматуры. Обычно причиной движения потоков продукта являются силы давления, а само движение - следствие давления. Однако само движение также может выступать в качестве причины, а давление как следствие. Этим подчёркивается то обстоятельство, что поток и давление неразрывно связаны между собой и ре-

гулировать их независимо друг от друга при неизменных параметрах коммуникаций и технологических аппаратов невозможно.

В то же время известно, что трубы, задвижки и другие устройства оказывают сопротивление движению продуктов. Движущиеся жидкость или газ обладают массой, поэтому силам, вызывающим движение, противодействуют силы трения и инерции. Благодаря этому при изменении управляющих воздействий, в качестве которых чаще всего используются такие, как изменение положения затвора регулирующей арматуры (метод дросселирования) или внешнего давления, достигаемого изменением частоты вращения механизма, изменение производительности потока наступает не мгновенно, а оказывается растянутым во времени.

Физика этих явлений достаточно известна. Например, если необходимо повысить производительность, то массе продукта, которая находится в трубопроводе, необходимо обеспечить дополнительную энергию (мощность). И поскольку мощ-