CC BY
16
сетевым организациям и иным лицам, к электрическим сетям».
МОДУЛЬНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП - ТОМОГРАФ
Скляр Андрей Вадимович
аспирант 1 курса Института радиотехнических систем и управления Инженерно-технологической академии Южного федерального университета (ИРТСиУ ИТА ЮФУ), г. Таганрог
Мережин Николай Иванович
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой Теоретических основ радиотехники Института радиотехнических систем и управления Инженерно-технологической академии Южного федерального
университета (ИРТСиУ ИТА ЮФУ), г. Таганрог
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассмотрены особенности работы и структура дефектоскопа-томографа, выполненного на основе концепции построения многофункциональных модульных систем, описанной в предыдущих статьях. Кроме того, описана структура и работа входящих в его состав сканеров, созданных на основе антенных решеток.
Ключевые слова: модульная концепция; дефектоскоп; томограф.
ABSTRACT
This article describes the features of the work and structure of the flaw detector-tomograph, which was made on the basis of the concept of building a versatile modular system, described in previous articles. In addition, we describe the structure and operation of detector-tomograph's scanners that are based on antenna arrays.
Keywords: the module concept; flaw detector; tomograph.
Одной из существенных потребностей в дефектоскопии является определение точных параметров дефектов особенно в сложных и дорогостоящих объектах исследования, тем более уже находящихся в составе агрегатов, при их производстве или продлении ресурса с целью определения уровня угрозы и возникновения аварийной ситуации. Примером таких объектов исследования могут служить турбины самолетов, электростанций и т.п. объекты транспорта, энергетики и других отраслей, техногенные катастрофы в которых могут привести к существенным потерям. Поэтому при оценке возможности применения вообще или дальнейшего использования объекта исследования требуется не только обнаружение наличия дефекта, но и выявление параметров его формы, точного расположения и характерных особенностей в неоднородностях его материала. Для этого необходимо объёмное (3D) сканирование позволяющее ответить на эти и другие актуальные в дефектоскопии вопросы.
Совершенно очевидно, что для создания объемного изображения внутреннего пространства сканируемого объекта недостаточно одного датчика, как недостаточно одного глаза человеку, чтобы оценить объемную картинку. Следовательно, минимальное количество пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) ультразвукового сканера (УЗС)-два. При этом можно только в одной плоскости определить место расположения неоднородности материала в исследуемом объекте и приблизительно оценить её размеры. Для создания объемного отображения дефекта потребуется как
минимум три ПЭП, а для качественного изображения внутреннего пространства объекта исследования необходима антенная решётка с множеством ПЭП.
В стационарных дефектоскопах, используемых, например, при конвейерном или непрерывном производстве, количество ПЭП в УЗС ограничивается только необходимым качеством изображения и конструктивными особенностями объектов исследования. А для мобильных, портативных дефектоскопов накладываются дополнительные массогабаритные ограничения. Значительную помощь в решении этого вопроса может оказать модульная концепция построения многофункциональных систем [3].
Для понимания сути проблемы рассмотрим на рисунке 1 структуру модульного дефектоскопа - томографа (МДСТ), имеющую в своем составе:
• ядро системы - центральное процессорное устройство, обеспечивающее управление и взаимодействие всех устройств (модулей) МДСТ;
• базовые модули системы - устройства обеспечивающие жизнеобеспечение системы - электропитание, ввод и отображение информации, связь с внешними системами;
• функциональные модули - сканеры, выполняющие основные задачи системы - поиск дефектов и определение их параметров;
• внутрисистемная связь - интерфейс для подключения функциональных модулей (сканеров) к системе.
Рисунок 1 - Структура МДСТ
На снижение массогабаритных показателей существенным образом оказывает влияние:
• подключение только одного функционального модуля - сканера, необходимого для проведения текущих измерений;
• отсоединение базовых модулей не участвующих непосредственно в процессе измерения, например устройства обмена информацией с внешними системами;
• использование базовых модулей с пониженными массогабаритными характеристиками, например выносного устройства электропитания вместо аккумуляторного устройства или применение аккумуляторов меньшей емкости за счет оптимального выбора сканера.
Все это весьма легко осуществимо в случае модульного построения системы.
Кроме того модульная концепция построения снижает его ценовые показатели за счет выбора оптимальной схемы комплектации из широкого спектра его функциональных и базовых модулей, т.е. отсутствия аппаратной избыточности. В связи с чем, МДСТ имеет существенную ценовую привлекательность по отношению к его моноблочным аналогам.
Для создания МДСТ применены свойства [2] концепции построения многофункциональных модульных устройств [3] такие как:
• замещение функциональных или базовых модулей, т.е. замещение типов сканеров в МДСТ при смене объекта, а также изменении способа исследования, или замещение типов базовых модулей, вызванного технологической необходимостью;
• идентификация вновь подключенного к МДСТ модуля для его адаптации в систему;
• адаптация в систему вновь подключенного к МДСТ модуля при помощи подключения к нему соответствующего программного драйвера;
• многозадачность, определяемая программным, технологическим и конструктивным обеспечением работы;
• изменяемость конфигурации, являющаяся как следствием замещения, так и подключения/отключения функциональных и базовых модулей;
• преемственность, позволяющая легко и безболезненно производить модернизацию системы;
• автоподстройка всего МДСТ за счет его программного обеспечения вследствие изменений, определяемых свойствами модульной многофункциональной системы.
Перечисленные свойства выгодно выделяют МДСТ на фоне его моноблочных собратьев. В частности преемственность позволяет производить метрологическое перевооружение дефектоскопических лабораторий не как обычно - раз в 10 лет, а осуществлять практически перманентную как программную, так и аппаратную модернизацию.
Кстати, МДСТ присущи и все свойства [2] модульных систем вообще. Например, такие свойства как совместимость и заменимость всех модулей, в том числе и ядра системы, поднимают восстановление работоспособности и ремонтопригодность МДСТ на недостижимую моноблочными устройствами высоту.
Зачастую оператор не способен оценить всю мощь гения создавшего используемое устройство из-за сложности его подготовки к работе. Поэтому в МДСТ наряду с ручным режимом (для особо одаренных операторов) используется полностью автоматический режим настройки и измерений (для рядовых операторов), запускаемый по умолчанию.
Автоматизм работы МДСТ происходит поэтапно следующим образом:
1) После включения во время инициализации всех его модулей производится их идентификация для выявления изменений конфигурации и поиска соответствующих драйверов с целью адаптации к ним системы.
2) Настройка конфигурации МДСТ в соответствии с набором подключенных к нему функциональных и базовых модулей. Информирование оператора о функциональных возможностях системы, предполагаемых объектах и возможных режимах исследования.
3) Определение границ исследуемого объекта, оптимизация временной регулировки чувствительности сканера, выбор критериев и тактики обнаружения.
4) Поиск и определение параметров неодно-родностей в материале исследуемого объекта. Запись образа дефекта и голосовых комментариев оператора в память МДСТ с привязкой ко времени проведения исследований;
5) В соответствии с реальной обстановкой производится выдача рекомендаций оператору при проведении исследований объекта.
Все выше перечисленные действия осуществляются полностью в автоматическом режиме, но возможна и их ручная корректировка.
Особенности работы и структуры сканеров МДСТ следующие. Для первичного обнаружения неоднородности в материале исследуемого объекта и предварительного определения его границ при ненаправленном ультразвуковом излучении достаточно одного мощного передатчика, возбуждающего сразу все ПЭП одновременно. Но для качественного сканирования применимо направленное излучение, при котором фазы ультразвуковых зондирующих импульсов (УЗИ) совпадают в заданном направлении, увеличивая их амплитуду в заданной точке или плоскости за счет свойств интерференции. А прием эхосигнала вообще должен осуществляться только в режиме реального времени и, соответственно, для этого необходим многоканальный приемник. Структура многоканального УЗС, использующего направленное излучение, приведена на рисунке 2.
со з;
-а
==
о?
о о з; 2 аа
Канал передачи-приема 1
Л
ум зи е
АП
Л
ППУ УКУ
АЦП
ФХН ЗИ к-
т~
Г 1
ООО
Канал передачи-приема N
Л
УМ ЗИ $
АП
л
ППУ УКУ
АЦП
о §
о
>3
съ
СХ съ
КС
-а
з; §
съ §
о СХ
з;
аа
ЦОС
Рисунок 2 -Структура многоканального УЗС
По команде, поступающей через внутрисистемный интерфейс от центрального процессорного устройства МДСТ, контроллер сканера - КС запускает формирователь характеристики направленности зондирующего импульса - ФХН ЗИ. В свою очередь, ФХН ЗИ генерирует зондирующие импульсы с соответствующим для каждого канала фазовым сдвигом, определяющим суммарное направление излучения. Усилители мощности - УМ ЗИ доводят амплитуду зондирующих импульсов до необходимого уровня и через антенный переключатель - АП подают их для излучения в фазированную антенную решетку пьезоэлектрических преобразователей - ФАР ПЭП. При отражении от неоднородности материала исследуемого объекта принятый ФАР ПЭП эхо-сигнал через АП поступает в
приемник прямого усиления с регулируемым коэффициентом усиления - ППУ УКУ для оптимального сжатия динамического диапазона принимаемого сигнала и доведения его до уровня достаточного для детектирования. С выхода амплитудного детектора ППУ УКУ сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь - АЦП для его оцифровывания, а затем в цифровой обработчик сигналов - ЦОС для выделения из него полезной информации. Информация от ЦОС передается в КС для предварительной обработки и корректировки управления каналами передачи-приема, а также через внутрисистемный интерфейс в центральное процессорное устройство МДСТ для последующей прорисовки образов дефектов на экране устройства ввода и отображения информации (см. рисунок 1).
Подводя итоги можно сделать вывод, что описанный МДСТ имеет множество неоспоримых и качественных достоинств и ни одного видимого недостатка.
Показанные на рисунках 1 и 2 структуры в достаточной степени формируют представление о принципах создания МДСТ, но не в полной мере отражают содержимое его отдельных устройств. Дальнейшая детализация особенностей реализации концепции построения многофункциональных модульных систем будет продолжена в последующих статьях.
Список литературы 1 Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ. пособие. - Мн.: Выш. шк., 1987.- 271 с.: ил.
2 Скляр А.В., Мережин Н.И. Основные свойства модульных многофункциональных систем. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал № 4 (13) / 2015, часть 5, с. 41 - 43.
3 Скляр А.В., Мережин Н.И. Особенности построения модульных многофункциональных систем. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал № 3 (12) / 2015, часть 5, с. 6 - 8.
4 Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979.-400 с., илл.
5 Ультразвуковая дефектоскопия. 2-е изд. Вы-борнов Б.И. М.: Металлургия, 1985, 256 с.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ЗА СЧЕТ УПРЕЖДАЮЩИХ ФУНКЦИЙ
Смирнов Игорь Николаевич
Вологодский государственный университет, г. Вологда Булычев Александр Витальевич
Д.т.н., проф., техн. директор ООО «НППБреслер», г. Чебоксары
АННОТАЦИЯ
Каждое внезапное возмущение, обусловленное повреждением трансформатора, повышает риск возникновения аварийной ситуации в электроэнергетической системе. Осевая и радиальная деформация обмоток трансформаторов оказывает существенное влияние на параметры трансформаторов, и изменение параметров может являться признаком повреждения обмоток. Разработан и исследован алгоритм работы защиты силового трансформатора с функцией упреждающего действия. Защита выявляет потенциальные повреждения на ранней стадии развития, что позволяет выигрывать достаточный запас времени для локализации повреждения трансформатора без применения экстренного отключения. Алгоритм основан на связи между степенью деформации обмоток и параметрами трансформатора, доступными для контроля средствами релейной защиты.
ANNOTATION
Each sudden disturbance caused by damage of the transformer increases the risk of emergency in the electricity system. Axial and radial deformation of transformer windings has a significant influence on the parameters of transformers, and changing parameters may be a sign of damage to the windings. Developed and researched the algorithm of the power transformer protection function pre-emptive action. Protection identifies potential damage at an early stage of development, which allows to win enough time to locate damaged transformer without the use of the emergency stop. The algorithm is based on the relationship between the degree of deformation of the windings of the transformer and the parameters available for control of relay protection.
Ключевые слова: трансформатор, деформация обмоток, релейная защита
Keywords: transformer, winding deformation, relay protection
Какими бы надежными не были трансформаторы, в них неизбежно возникают дефекты и, как следствие развития дефектов, - повреждения. Каждое внезапное возмущение, обусловленное повреждением трансформатора, повышает риск возникновения аварийной ситуации в электроэнергетической системе (ЭЭС). Желательно, чтобы система релейной защиты (в соответствии с ее основным назначением) обеспечивала мгновенное отделение поврежденного трансформатора от исправной части ЭЭС [1].
В реальных условиях для выявления повреждения и осуществления коммутаций необходим определенный интервал времени. Приблизить свойства защит, устанавливаемых на трансформаторах, к идеальным в сложившихся условиях можно путем реализации упреждающих действий релейной защиты за счет выявления потенциальных повреждений на ранней
стадии развития. При этом существенно снижается риск возникновения внезапных повреждений в трансформаторах.
Цель раннего обнаружения потенциальных повреждений состоит в том, чтобы выиграть достаточный запас времени для локализации повреждения без применения экстренного отключения. Этого можно достичь путем сбора и контроля дополнительной информации и формирования предупреждающего сигнала в случае выхода контролируемого параметра за пределы допустимых значений.
Применительно к диагностике известны частные решения подобной задачи на основе уравнений состояния силового трансформатора [2, 3].
