ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ ПРОАКТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Оригинальная статья / Original article УДК 621.311.001

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2020-5-966-976

Об эффективности цифровой системы проактивной диагностики силовых трансформаторов

© А.Н. Алюнов, О.С. Вяткина, А.Е. Немировский

Вологодский государственный университет, г. Вологда, Россия

Резюме: Цель - диагностирование состояния силового трансформатора путем определения параметров его схемы замещения с помощью синхронизированных векторных измерений токов и напряжений в нормальном режиме работы трансформатора без отключения его от сети, что позволяет достичь повышения надежности срабатывания релейной защиты. Предложен экономически эффективный метод проактивной диагностики силовых трансформаторов, который путем контроля дополнительных параметров (сопротивления короткого замыкания, активного и индуктивного сопротивления прямой последовательности, активного и индуктивного сопротивления обратной последовательности) позволяет повысить быстродействие и точность обнаружения возможных внутренних коротких замыканий, возникающих из-за повреждений в обмотках или высоковольтных вводах трансформатора без отключения диагностируемого трансформатора от сети. Метод позволяет по разнице между рассчитанными параметрами схемы замещения и паспортными значениями параметров судить об исправности и пригодности трансформатора. На основе проведенного анализа количества повреждений силовых трансформаторов, в зависимости от причины возникновения повреждений, определены полные экономические потери, включающие ущерб от повреждения оборудования и ущерб от перерывов в электроснабжении потребителей. Для силового трансформатора номинальной мощностью 63 МВА полные экономические потери составили 10687 402 руб. Показано, что система диагностики расширяет возможности анализа состояния трансформаторов в рабочих режимах, позволяет предупреждать приближение момента повреждения, предотвратить возникновение внезапных аварий, минимизировать ожидаемый ущерб от перерывов в электроснабжении и выхода из строя оборудования. Предложен программно-аппаратный комплекс для диагностики внутренних повреждений в силовом трансформаторе. Представлены основные характеристики предлагаемого программно -аппаратного комплекса: количество измерительных каналов, класс точности, частота дискретизации и др. Результаты работы расширяют возможности анализа состояния трансформаторов в рабочем режиме и могут быть использованы в мировой практике при построении различных систем мониторинга для выявления развивающихся дефектов трансформаторов, вызванных деформацией обмоток.

Ключевые слова: силовой трансформатор, повреждения трансформаторов, деформация обмоток, проактивная диагностика, экономический ущерб, программно-аппаратный комплекс

Информация о статье: поступила в редакцию 20 мая 2020 г.; поступила после рецензирования и доработки 15 сентября 2020 г.; принята к публикации 30 октября 2020 г.

Для цитирования: Алюнов А.Н., Вяткина О.С., Немировский А.Е. Об эффективности цифровой системы проактивной диагностики силовых трансформаторов. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 5. С. 966-976. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-5-966-976

Abstract: The purpose of the paper is to diagnose the state of a power transformer by determining its equivalent circuit parameters by means of synchronized vector measurements of currents and voltages in the transformer normal operation mode without shutdowns, which makes it possible to increase the reliability of relay protection operation. A cost-effective method for proactive diagnostics of power transformers is proposed. Through monitoring of additional parameters (short circuit resistance, active and inductive resistance of the positive sequence, active and inductive resistance of the negative sequence) it can increase the speed and accuracy of detecting possible internal short circuits arising due to winding damage or high-voltage transformer bushings without diagnosed transformer disconnection from the network. The method allows to estimate the transformer health index and serviceability by the difference between the calculated

On efficiency of digital system of power transformer proactive diagnostics

Alexander N. Alyunov, Olga S. Vyatkina, Alexander E. Nemirovskiy

Vologda State University, Vologda, Russia

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

parameters of the equivalent circuit and the passport values of the parameters. Having conducted the damage cause-dependent analysis of the number of power transformer damages, the authors determined total economic losses that include the losses caused by equipment damage and losses caused by the interruptions in consumer power supply. The total economic losses for a power transformer with a rated power of 63 MVA amounted to 10687402 rubles. It is shown that the diagnostic system expands the possibilities of analyzing the transformer state in operating modes, allows to prevent the approaching of the damage moment and occurrence of sudden accidents as well as minimizes the expected damage from shutdowns and equipment failure. A hardware and software complex is proposed for the diagnostics of power transformer internal damage. The given main characteristics of the proposed hardware and software complex include the number of measuring channels, accuracy class, sampling frequency, and others. The results of the work expand the possibilities of analyzing the transformer state in the operating mode and can be used in the world practice of creating various monitoring systems designed to identify the defects developing in transformers caused by winding deformation.

Keywords: power transformer, transformer damage, winding deformation, proactive diagnostics, economic loss, software and hardware complex

Information about the article: Received May 20, 2020; revised September 15, 2020; accepted for publication on October 30, 2020.

For citation: Alyunov AN, Vyatkina OS, Nemirovskiy AE. On efficiency of digital system of power transformer proactive diagnostics. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(5):966-976. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-5-966-976

ВВЕДЕНИЕ

Стратегия международного научно-технологического развития заключается в обращении к инновационным цифровым технологиям, новым методам проектирования, созданию систем по обработке колоссальных объемов информации.

Улучшить свойства защит, предназначенных для трансформаторов, в современных условиях представляется вероятным только в случае использования релейной защиты упреждающего действия, позволяющей выявить возможное появление повреждений. Проактивная (упреждающая) диагностика -это диагностика, позволяющая выявлять скрытые дефекты до того, как они скажутся на работе трансформаторов.

В трансформаторах напряжением до 500 кВ наиболее вероятно появление внутренних коротких замыканий из-за повреждений, возникающих в обмотках или высоковольтных вводах трансформатора, а также в регуляторах напряжения под нагрузкой. К наиболее тяжелым последствиям приводят такие факторы, как [1]:

- отложение осадка на внутренней поверхности фарфора и на поверхности внутренней изоляции, приводящее к снижению электрической прочности масляного канала герметичных высоковольтных вводов трансформатора;

- повышение влажности и загрязнение,

приводящее к снижению электрической прочности бумажно-масляной изоляции негерметичных высоковольтных вводов;

- загрязнение, увлажнение и износ изоляции обмоток трансформаторов;

- повреждение витков обмоток трансформатора вследствие продолжительного сквозного тока короткого замыкания на стороне низшего напряжения трансформатора;

- монтаж, эксплуатация и ремонт недостаточного качества.

Возможности защит, работающих по традиционному принципу, ограничены обнаружением повреждений при замыкании порядка 70% витков обмотки. В этом случае множество повреждений оказывается не выявлен-но, что, в свою очередь, может привести к усугублению аварийного процесса и переходу виткового замыкания в междуфазное. Также важнейшими недостатками традиционных методов можно считать низкое быстродействие и неодинаковую чувствительность к симметричным и несимметричным коротким замыканиям.

Применение методов и средств цифровой диагностики позволит предотвратить большую часть перечисленных выше дефектов [2, 3].

Существующие методы диагностики силовых трансформаторов основываются на параметрах холостого хода и короткого замыкания и требуют отключения трансформатора от сети. Существуют системы монито-

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

ринга трансформаторов, которые рассчитывает единый коэффициент текущего технического состояния трансформатора. Регистрация токов и напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора в таких модулях используется преимущественно для расчета полного сопротивления короткого замыкания. Контроль только одного параметра приводит к значительному снижению точности обнаружения дефектов [4-6].

Система диагностики силовых трансформаторов должна, помимо выявления возможного повреждения, уметь оценивать возможность дальнейшей эксплуатации трансформатора или сигнализировать о необходимости вывода его в ремонт.

Несомненно, необходимость традиционных испытаний никто не отменяет, однако невозможность с их помощью обнаруживать повреждения на ранней стадии развития аварийных процессов приводит к снижению работоспособности оборудования. С этой точки зрения, контроль дополнительных параметров крайне необходим и развивается как в нашем государстве, так и во всем мире [7, 8]. Параллельно с этим корректируется и система нормативных параметров для оценки состояния трансформаторов [1, 9-11].

Номенклатура необходимых испытаний силовых трансформаторов, допустимые значения основных параметров и другие аспекты регламентируются основными руководящими документами. Необходимость в существенном расширении контролируемых параметров силовых трансформаторов доказывает тот факт, что все чаще в регламентирующих документах наряду с традиционными параметрами оценки состояния изоляции указываются дополнительные (хроматогра-фический анализ газов, растворенных в масле, измерение степени полимеризации, контроль содержания фурановых соединений в масле, измерение сопротивления короткого замыкания, тепловизионный контроль [12-15]).

Однако сложность протекания химических реакций в изоляции, а также множество других сопутствующих причин делают невозможным точный прогноз степени повреждения изоляции обмоток трансформатора [1].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель работы заключается в диагностировании состояния силового трансформатора по параметрам нормального режима без отключения от сети путем контроля важнейших показателей, что позволяет достичь повышенной точности оценки состояния контролируемого объекта. Для достижения цели необходимо расширение перечня дополнительных параметров и осуществление возможности формирования информирующего сигнала в случае, если значение контролируемого параметра превысило допустимое значение.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При возникновении коротких замыканий возможна деформация обмоток и нарушение заземления нейтрали трансформатора, вследствие чего параметры силовых трансформаторов изменяются [5]. Существующие модели электрических систем зачастую не учитывают данные изменения. Помимо этого, возможны неточности, связанные с неправильным выбором элементов схемы замещения, копированием данных с одного носителя на другой, опечатками, частичной или полной потерей данных, ведущих к непредсказуемым результатам.

Проанализировав причины возникновения погрешностей, указанных в вышеприведенной таблице, можно сделать вывод о том, что уточнение параметров опытным путем крайне необходимо. Не стоит ограничиваться проведением опытов холостого хода и короткого замыкания, так как проведение этих опытов связано с отключением питания трансформаторов и возникновением ущербов от перерыва в электроснабжении, расходами на трудовые и материальные ресурсы. Отсюда вытекает необходимость проработки новых решений, в основе которых лежит оценка состояния трансформаторов в эксплуатационном режиме.

Идентификация параметров моделей возможна в любых режимах функционирования энергетической системы [16, 17]. Для получения достоверной исходной информации необходимо измерение напряжений и токов в

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

каждой фазе на каждой из сторон напряжения трансформаторов или автотрансформаторов. Часто с целью сокращения объемов вычислений трансформаторы представляются упрощенными схемами замещения. Идентификация основана на определении параметров модели трансформатора на основе синхронизированных векторных измерений токов в обмотках и узловых напряжений. Необходимо также измерение фазовых сдвигов напряжений при различных нагрузках трансформаторов согласно рисунку [18].

Далее посредством решения уравнений состояния трансформатора на основе измеренных ранее значений происходит определение таких параметров, как потери холостого хода и короткого замыкания, сопротивление короткого замыкания, ток холостого хода. Сравнивая полученные в ходе расчета значения с эталонными, приходят к выводу о

текущем состоянии контролируемого объекта, измеряют токи и напряжения в различных нагрузочных режимах, выделяют первую гармонику, вычисляют симметричные составляющие для использования в последующих расчетах.

По зарегистрированным параметрам работы трансформатора в несимметричном режиме производят расчет сопротивления нулевой последовательности (для трансформаторов, работающих с глухозаземлен-ной нейтралью), сравнивают с эталоном и уточняют исправность электрических цепей, соединяющих обмотки трансформаторов с заземляющим устройством. Уточнение состояния устройств, отвечающих за регулирование уровня напряжения силового трансформатора, производят по коэффициенту трансформации, определяемому в результате расчета.

Таблица 1. Погрешности задания параметров схем замещения силовых трансформаторов и их причины Table 1. Errors in setting parameters of power transformer equivalent circuits and their causes

Параметр Причины возникновения погрешности Величина погрешности

Активное сопротивление паспортные и экспериментальные данные, ошибки задания коэффициента трансформации ±12%

Индуктивное сопротивление паспортные и экспериментальные данные, ошибки задания коэффициента трансформации ±8%

Активная проводимость изменение параметров, условия эксплуатации, ток нагрузки, температура ±50%

Реактивная проводимость изменение параметров, условия эксплуатации, ток нагрузки, температура ±25%

Коэффициент трансформации изменение параметров 1 ступень

Шина 1

Силовой

Шина 2

Диагностика силового трансформатора посредством подключения программно-аппаратного комплекса Power transformer diagnostics by the connected hardware and software complex

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(5):966-976

Процедура вычисления сопротивлений неприведенной модели двухобмоточного трансформатора, согласно предлагаемому методу, заключается в следующем: функционирование вышеописанного алгоритма основано на информации от цифровых регистраторов аварийных процессов и использовании схемы присоединения программно -аппаратного комплекса, представленной на рисунке [18-20].

При дальних или ближних сквозных коротких замыканиях производятся синхронизированные векторные измерения токов и напряжений, выделяются основные гармоники напряжений в каждой фазе на каждой стороне напряжений силовых трансформаторов [18].

Применяя метод симметричных составляющих, находят величины напряжений и токов нулевой, прямой и обратной последовательностей на стороне высшего напряжения:

Измерения и вычисления повторяются во втором несимметричном режиме работы трансформатора. Составляются матрицы узловых проводимостей прямой, обратной и нулевой последовательностей модели трансформатора:

Y Y

Y11,1 Y 12,1

YY

Y 21,1 Y 22,1

Y Y

Y 11,2 Y 12,2

YY

Y 21,2 Y 22,2

Y Y

Y11,0 Y 12,0

YY

Y 21,0 Y 22,0

i(1) i1,1

T (1)

(2) i1,1

i (1) i J- i X

(2)

i(1) 1 2,1

i(1) i2,2

i (1) 1 1,0

(2) i2,1 (2) i2,2

(2) i1,0

i (1) i ■*■ J П X

(2)

üff ü?> Щ ü2

ü(1) ü(2) ü 2,1 ü 2,1

ü2(,12) ü2(,22)

ü(1) ü(2)

ü 1,0 ü 1,0

ü(1) ü(2)

ü 1,0 ü 1,0

Сопротивления короткого замыкания определяются по формуле:

ü(1 = (üff + ü(B1) ■ a+ üff ■ a2) /3. ü1 = (üff + ü(1 ■ a2+üff ■ a)/3 .

üZ=(üff ü+üC) /3 . '

= (it/üAYlu

100

Потери короткого замыкания находят по формуле:

iff = (iff + iff ■ a+ iff ■ a2)/3. i21) =(i(J) + iff ■ a2 + iff ■ a) /3. i(1 =(iff + iff + iff) /3.

А также на стороне низшего напряжения:

üff =(ü<1 + ü<1 ■ a+ üC1 ■ a2 )/3. ü212 = (üff + ü? ■ a2+üi1 ■ a) /3.

üff = (üff+üff+üi1 )/3.

?

iff =(iff + iff ■ a+ iff ■ a2)/3. iff =(iff + iff ■ a2 + П1 ■ a)/3; icff = (iff+iff+iff )/3

P = i2 ■ RAY,..

' e i

Активное сопротивление прямой последовательности:

= Яе(¥-111).

Индуктивное сопротивление прямой последовательности:

X = Ы^^).

Активное сопротивление обратной последовательности:

Я2 = Ке(Уп,2)

где а - оператор поворота векторов на 120 градусов; (1) - номер режима измерений.

Индуктивное сопротивление обратной последовательности:

1

1

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

X2 = Im(Y;l2)

Активные сопротивления обмоток:

Активное и индуктивное сопротивление нулевой последовательности:

R = ReZn = K ■ ReZ21.

1

R2 = ReZ22 = K1 ■ ReZ 12

Uj(1) Uj(2)

у _ U 01 _ U 01

Z° = j(1) = j(2) 1 01 1 01

На точность расчета параметров нулевой последовательности влияет погрешность измерительного тракта. Как только значение измеряемого тока приближается к значению погрешности цифрового регистратора, погрешность в определении параметров резко возрастает. Таким образом, можно прийти к выводу о том, что чем больше несимметрия режима, тем выше точность определения полного сопротивления: = Я0 + ]Хй.

Очевидно, что наибольшая точность определения полного сопротивления наблюдается в режимах однофазных и двухфазных коротких замыканий на выводах трансформатора. Чем дальше короткое замыкание от трансформатора, тем более симметричен режим его работы.

С целью определения значений тока и потерь холостого хода, а также коэффициента трансформации трансформатора составляется матрица узловых сопротивлений [18]:

Z Z

Zi 1 Z12

ZZ

Z21 Z22

u{'> ü<s UJ1 Ü%

J(1) J(2)

1 1,1 11,1

J(1) J (2)

1 1,2 1 1,2

Ток холостого хода:

1% = (иЛ1^ ■ I? ■100.

Потери холостого хода:

Ро = (и>/\1п\)2 ■ Ке2и

Коэффициент трансформации:

1т(1п)

K = -

Im(Z21)

Индуктивные сопротивления обмоток:

X = = ImZn .

;

X2 = qL2 = ImZ22

Взаимное сопротивление между обмотками:

Z = Z

Для схемы замещения нулевой последовательности:

7 = 7

7ц0 712,0,

где Ъ12а определяется при подстановке токов

и напряжений нулевой последовательности.

Приведенные выражения подтверждают тот факт, что предложенный метод позволяет определить не только параметры модели, но и оценить некоторые диагностические показатели.

Усовершенствованный метод определения параметров прямой и нулевой последовательности силовых трансформаторов будет отличаться от существующих тем, что позволит определить параметры многообмоточного (включая двух-, и трехобмоточный) трансформатора при произвольном положении регулятора под нагрузкой, в разных группах и схемах соединения обмоток на основе данных цифровой регистрации процессов.

Уточненный алгоритм определения параметров будет выглядеть следующим образом:

1. Регистрация синхронизированных векторных измерений напряжений и токов.

2. Преобразование зарегистрированных параметров в симметричные составляющие.

3. Составление схем замещения трансформаторов прямой, обратной и нулевой последовательностей.

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

4. Составление системы уравнений состояния силового трансформатора.

5. Фиксация дополнительного режима работы осуществляется в случае недостаточного количества уравнений в системе.

6. Расчет параметров модели с учетом полученной системы уравнений.

Алгоритм проактивного контроля степени деформации обмоток силовых трансформаторов на основе данных регистрации аварийных процессов отличается также тем, что развитие дефекта может быть установлено в рабочем режиме и тем самым предотвращается возникновение внезапной аварии.

Раннее обнаружение возможных нарушений в работе трансформатора дает возможность избежать экстренного отключения.

Программно-аппаратный комплекс для диагностики внутренних повреждений в силовом трансформаторе предлагается подключать к измерительным кернам трансформаторов тока и напряжения, имеющим класс точности 0,2 или 0,5 и отслеживать изменения параметров схемы замещения в нормальных режимах. Это является достаточным для прогнозирования развития витковых замыканий и оценки деформации обмоток. Характеристики программно-аппаратного комплекса приведены в табл. 2.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Экономический эффект исследования будет заключаться в снижении ущерба от технологических нарушений, вызванных внезап-

ными повреждениями в трансформаторах, и, следовательно, в уменьшении риска возникновения внезапных возмущений в энергосистеме и перерывов электроснабжения потребителей.

Полные экономические потери (ущерб), возникающие при повреждении силового трансформатора, включают ущерб от повреждения оборудования и ущерб от перерывов в электроснабжении потребителей:

D = Deq + DUS , РУб ,

(1)

где deq - ущерб от повреждения оборудования, руб.; Dus - ущерб от перерывов в электроснабжении потребителей, руб.

Оценим примерный ущерб от аварийного отключения трансформатора номинальной мощностью SB = 63 МВА из-за повреждения

его обмоток.

Средний удельный ущерб на единицу мощности трансформатора, по данным [7], составляют: d = 665260 руб/МВА.

Согласно данным табл. 4 [7] повреждаемость обмоток трансформаторов k от общего числа повреждений составляет:

k =

N

N

где N - количество внутренних повреждений трансформаторов; N - общее количество повреждений.

Таблица 2. Характеристики программно-аппаратного комплекса Table 2. Characteristics of the hardware and software complex

Параметр Значение

Количество измерительных каналов, шт. Не менее 16

Класс точности 0,2S

Частота дискретизации, кГц 250

Напряжение трансформатора, кВ 6-110

Напряжение питания, В 80 -240

Рабочая температура, °С -40 - +65

Интерфейсы, тА RS485, USB, Ethernet, 4-20

Потребляемая мощность, Вт определяется результатами научно-исследовательской работы

Масса, г определяется результатами научно-исследовательской работы

Габариты, мм определяется результатами научно-исследовательской работы

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

24

k =--100% = 25,5%

94

Тогда ожидаемый ущерб от аварийного отключения трансформатора номинальной мощностью SB = 63 МВА из-за повреждения его обмоток составит:

D = к ■ d ■ SB = 0,255 • 665260 • 63 = = 10687402 руб.

Распределение количества аварий по годам и экономические потери от повреждений оборудования и перерывов в электроснабжении представлены в табл. 3 на основе данных по текущему курсу доллара [7].

Причины возникновения повреждений и соответствующий им экономический ущерб отражены в табл. 4.

Анализ итоговых данных табл. 3 и табл. 4 показывает, что доля возникающего ущерба от повреждения оборудования составляет 56,95%, а на долю ущерба от перерывов в электроснабжении приходится 43,05%.

С учетом формулы (1) получим:

= 6086475 к EQ руб.;

Dus = 4600580 руб.

Согласно [1] и [8], повреждаемость новых трансформаторов составляет 0,2% (каждый 500-й трансформатор), а со сроком эксплуатации 30 лет - 1% (каждый 100-й трансформатор).

Оценим повреждаемость силовых трансформаторов U = 110-500 кВ, мощностью не менее 63 МВ А. Удельная повреждаемость таких трансформаторов [9] равна 0,45% за год, иначе говоря, повреждается каждый 222-й силовой трансформатор независимо от срока эксплуатации [1].

Установка предлагаемого программно-аппаратного комплекса на 222 трансформатора позволит предотвратить ежегодный ожидаемый ущерб, оцененный выше в 10687402 руб. Анализ предложений ведущих производителей микропроцессорных устройств показал, что ориентировочная сто -

Таблица 3. Количество повреждений трансформаторов и экономические потери Table 3. Number of power transformer damages and economic losses

Год Количество аварий Суммарные потери, руб. Потери от повреждения оборудования, руб. Потери от перерывов в электроснабжении, руб.

1997 19 3017705718 1852736002 1164969716

1998 25 1844985390 1842386436 2598954

1999 15 2766977734 2737570948 29406786

2000 20 11113451646 4207498216 6905953430

2001 15 2467433800 1439523184 1027910616

ИТОГО 94 21210532014 12079692586 9130839428

Таблица 4. Причины возникновения повреждений и соответствующий им экономический ущерб Table 4. Causes of damages and corresponding economic losses

Причина возникновения повреждения Количество Экономический ущерб, руб.

Повреждение изоляции 24 11097578498

Проектирование, материал, установка 22 4807709774

Неизвестно 15 2203442130

Загрязнение масла 4 875891158

Перегрузка 5 634088832

Возгорание, взрыв 3 595387054

Сетевые перенапряжения 4 367017134

Ошибки при обслуживании 5 260389942

Заливание водой 2 165774652

Плохие контакты 6 161817650

Удар молнии 3 48687190

Увлажнение изоляции 1 12 950000

ВСЕГО 94 21210532014

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

имость одного комплекта программно-аппаратного комплекта составит 80000 руб., тогда инвестиции в 222 трансформатора составят 17760000 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, результаты работы доказывают экономическую эффективность предлагаемого метода проактивной диагностики, расширяют возможности анализа состояния трансформаторов в рабочем режиме. Они могут быть использованы при построении различных систем мониторинга для выявления развивающихся дефектов трансформаторов, вызванных деформацией обмоток.

Внедрение метода в защитах от внутренних повреждений позволяет предупреждать приближение момента повреждения и предотвращать возникновение внезапных аварий.

Комплексная оценка состояния силовых трансформаторов, согласно описанному методу, позволяет принимать своевременные решения по дальнейшей эксплуатации трансформаторов, приводит к снижению ущербов от перерывов в электроснабжении потребителей, а также к снижению стоимости ремонтов.

Расчеты показывают, что дисконтированный срок окупаемости капитальных вложений в указанную систему составит около двух лет.

Библиографический список

1. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю., Неклепаев Б.Н., Антипов К.М., Сурба А.С. [и др.]. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в эксплуатации // Электрические станции. 2001. № 9. С. 53-58.

2. Patent no. JP2013061310A, Japan. Method and device for diagnosing soundness in transformer / S. Miyazaki, Yo. Yamamasu, H. Sakaki. Publ. of 04.04.2013.

3. Patent no. CH104076227A, China. Three-phase three-winding transformer fault area diagnostic method / Z. Hui-Min. Publ. of 01.10.2014.

4. Mostafaei M., Faiz J., Venikar P.A., Ballal M.S. Turn-to-turn fault monitoring methods in electrical power transformers - State of the art // International Transactions on Electrical Energy Systems. 2018. Vol. 28. Issue 12. https://doi.org/10.1002/etep.2644

5. Kuniewski M. FRA Diagnostics measurement of winding deformation in model single-phase transformers made with silicon-steel, amorphous and nanocrystalline magnetic cores // Energies. 2020. Vol. 13. Issue 10. Р. 2424. https://doi.org/10.3390/en13102424

6. Haghjoo F., Mostafaei M., Mohammadi H. A new leakage flux-based technique for turn-to-turn fault protection and faulty region identification in transformers // IEEE Transactions on Power Delivery. 2018. Vol. 33. No. 2. Р. 671-679. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2017.2688419

7. Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов // Энергетика и менеджмент. 2011. № 1. С. 40-45.

8. L'vov M.Yu., L'vov Yu.N., Dement'ev Yu.A., Antipov K.M., Surba A.S., Sheiko P.A., et al. Reliability of power transformers and autotransformers of electric networks // Power Technology and Engineering. 2006. Vol. 40. Р. 55-60. https://doi.org/10.1007/s10749-006-0020-x

9. Львов М.Ю. Силовые трансформаторы на 110 кВ и выше. Будущее определит диагностика // Новости электротехники. 2003. No. 6. [Электронный ресурс]. URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2003/24/12.php (12.05.2020).

10. Alyunov A.N., Vyatkina O.S., Mukhametova L.R., Mar-kovskiy V.P., Mustafina R.M. Automation of calculations of power transformers windings parameters taking into account the position of the voltage regulator // International Scientific and Technical Conference Smart Energy Systems 2019: E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 124. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912402016

11. Tahir M., Tenbohlen S., Samimi M.H. Evaluation of numerical indices for objective interpretation of frequency response to detect mechanical faults in power transformers // Proceedings of the 21st International Symposium on High Voltage Engineering. 2020. Vol. 598. Р. 811-824. https://doi.org/10.1007/978-3-030-31676-1_76

12. Hussain M.R., Refaat S.S. Dielectric behaviour of defects in power transformer insulation using finite element method // 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy, 2019. https://doi.org/10.1109/SGRE46976.2019.9021069

13. Tenbohlen S., Coenen S., Djamali M., Müller A., Samimi M.H., Siegel M. Diagnostic measurements for power transformers // Energies. 2016. Vol. 9. Issue 5. Р. 347. https://doi.org/10.3390/en9050347

14. Левин В.М., Яхья А.А. Система информационно-аналитической поддержки принятия решений по эксплуатации силовых трансформаторов // Главный энергетик. 2019. № 9. С. 52-62.

15. Шонин Ю.П. Оценка технологического состояния силовых масляных трансформаторов // Библиотечка электротехника. 2019. № 12. С. 3-90.

16. Путилин К.С., Майорова Ю.А., Пронина А.К. Диагностирование внутренних коротких замыканий силовых трансформаторов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2018. Т. 61. № 3. С. 53-59. https://doi.org/10.17213/0136-3360-2018-3-53-59

17. Бурлак И.И., Пляшко М.С., Гура Д.Н., Корольков А.Л., Звада П.А. Вопрос актуализации параметров силовых трансформаторов // Главный энергетик. 2019. № 10. С. 26-32.

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

18. Пат. № 2237254, Российская Федерация, G01 R31/02, Н02Н7/04. Способ диагностики силовых трансформаторов / А.Н. Алюнов, В.А. Бабарушкин, А.В. Булычев, В.А. Гуляев; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. Заявл. 08.01.2003; опубл. 27.09.2004. Бюл. № 27.

19. Пат. № 2458354, Российская Федерация, G01R 31/06. Способ определения группы и схемы соединения обмоток силовых двухобмоточных и трехобмоточ-ных трансформаторов / И.Н. Смирнов, А.Н. Алюнов,

В.А. Бабарушкин; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. Заявл. 13.12.2010; опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22. Заявл. 13.12.2010; опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22. 20. Пат. № 2446406, Российская Федерация, G01R31/02. Способ диагностики силовых трехобмо-точных трансформаторов / В.А. Бабарушкин, А.Н. Алюнов, В.А. Гуляев, И.Н. Смирнов; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. Заявл. 08.07.2009; опубл. 27.03.2012. Бюл. № 9.

References

1. Vanin BV, Lvov YuN, Lvov MYu, Neklepaev BN, An-tipov KM, Surba AS, et al. On damage of 110-500 kV power transformers when in operation. Elektricheskie Stantsii = Power Technology and Engineering. 2001 ;9:53-58 (In Russ.)

2. Miyazaki S, Yamamasu Yo, Sakaki H Method and device for diagnosing soundness in transformer. Patent Japan, no. JP2013061310A; 2013.

3. Hui-Min Z. Three-phase three-winding transformer fault area diagnostic method. Patent China, no. CH104076227A;2014.

4. Mostafaei M, Faiz J, Venikar PA, Ballal MS. Turn-to-turn fault monitoring methods in electrical power transformers - State of the art. International Transactions on Electrical Energy Systems. 2018;28(12). https://doi.org/10.1002/etep.2644

5. Kuniewski M. FRA Diagnostics measurement of winding deformation in model single-phase transformers made with silicon-steel, amorphous and nanocrystalline magnetic cores. Energies. 2020;13(10):2424. https://doi.org/10.3390/en13102424

6. Haghjoo F, Mostafaei M, Mohammadi H. A new leakage flux-based technique for turn-to-turn fault protection and faulty region identification in transformers. IEEE Transactions on Power Delivery. 2018;33(2):671-679. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2017.2688419

7. Bartli U. Transformer damage overview. Energetika i menedzhment. 2011:1:40-45. (In Russ.)

8. L'vov MYu, L'vov Yu.N., Dement'ev Yu.A., Antipov K.M., Surba A.S., Sheiko P.A., et al. Reliability of power transformers and autotransformers of electric networks. Power Technology and Engineering. 2006;40:55-60. https://doi.org/10.1007/s10749-006-0020-x

9. Lvov MYu 110 kV and more powerful voltage transformers. Diagnostics will determine the future. Novosti elektrotekhniki. 2003;6. Available from: http://www.news.elteh.ru/arh/2003/24/12.php zavedeniya [Accessed 12th May 2020]. (In Russ.)

10. Alyunov AN, Vyatkina OS, Mukhametova LR, Markov-skiy VP, Mustafina RM. Automation of calculations of power transformers windings parameters taking into account the position of the voltage regulator. In: International Scientific and Technical Conference Smart Energy Sys-

tems 2019: E3S Web of Conferences. 2019;124. https://d0i.0rg/10.1051/e3sconf/201912402016

11. Tahir M, Tenbohlen S, Samimi MH. Evaluation of numerical indices for objective interpretation of frequency response to detect mechanical faults in power transformers. In: Proceedings of the 21st International Symposium on High Voltage Engineering. 2020;598:811-824. https://doi.org/10.1007/978-3-030-31676-1_76

12. Hussain MR, Refaat SS. Dielectric behaviour of defects in power transformer insulation using finite element method. In: 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy. 2019. https://doi.org/10.1109/SGRE46976.2019.9021069

13. Tenbohlen S, Coenen S, Djamali M, Müller A, Samimi MH, Siegel M. Diagnostic measurements for power transformers. Energies. 2016;9(5):347. https://doi.org/10.3390/en9050347

14. Levin VM, lakhia AA, System of information and an a-lytical support for decision-making on operation of power transformers. Glavnyi energetik. 2019;9:52-62. (In Russ.)

15. Shonin YuP. Assessing technological condition of power oil transformers. Bibliotechka elektrotekhnika. 2019;12:3-90. (In Russ.)

16. Putilin KP, Mayorova YuA, Pronina AK. Diagnosis of internal short-circuits of power transformers. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Elektromekhanika = Russian Electromechanics. 2018;61(3):53-59. (In Russ.) https://doi.org/10.17213/0136-3360-2018-3-53-59

17. Burlak II, Plyashko MS, Gura DN, Korolkov AL, Zvada PA. The question of updating the parameters of power transformers. Glavnyi energetik. 2019;10:26-32. (In Russ.)

18. Alyunov AN, Babarushkin VA, Bulychev AV, Gulyaev VA. Diagnostic method for power transformers. Patent RF, no. 2237254; 2003. (In Russ.)

19. Alyunov AN, Babarushkin VA, Smirnov IN. Method to determine the group and connection circuits of power double- and triple-wound transformer windings. Patent RF, no. 2458354; 2012. (In Russ.)

20. Alyunov AN, Babarushkin VA, Gulyaev VA, Smirnov IN. Diagnostic method for power three-winding transformers. Patent RF, no. 2446406; 2012. (In Russ.)

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976

Критерии авторства

Алюнов А.Н., Вяткина О.С., Немировский А.Е. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Алюнов Александр Николаевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования, Вологодский государственный университет, 160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15, Россия; e-mail: [email protected]

Вяткина Ольга Сергеевна,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электрооборудования, Вологодский государственный университет, 160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15, Россия; !"■■■".! e-mail: [email protected]

Немировский Александр Емельянович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрооборудования, Вологодский государственный университет, 160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15, Россия; e-mail: [email protected]

Authorship criteria

Alyunov A.N., Vyatkina O.S., Nemirovskiy A.E. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Alexander N. Alyunov,

Cand. Sci. (Eng.),

Associate Professor of the Department of Electrical Equipment, Vologda State University, 15 Lenin St., Vologda 160000, Russia; e-mail: [email protected]

Olga S. Vyatkina,

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electrical Equipment, Vologda State University, 15 Lenin St., Vologda 160000, Russia; [>-<] e-mail: [email protected]

Alexander E. Nemirovskiy,

Dr. Sci (Eng.), Professor,

Head of the Department of Electrical Equipment,

Vologda State University,

15 Lenin St., Vologda 160000, Russia;

e-mail: [email protected]

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(Б):966-976