CC BY
12
УДК 621.019
ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Э.М. ФАРХАДЗАДЕ, А.З. МУРАДАЛИЕВ, Т.К. РАФИЕВА, С.М. ИСМАИЛОВА
АзНИПИИ Энергетики, г. Баку
Разработан метод оценки момента возникновения изменения роста концентрации растворенных в масле газов, позволяющий установить наличие развивающегося дефекта трансформатора, основные газы, вероятный тип дефекта и характер его проявления.
Ключевые слова: трансформаторы, надежность, диагностика, наработка до дефекта.
Одной из основных задач диагностики технического состояния оборудования энергосистем является оценка времени возникновения дефекта и длительности его развития до уровня, при котором вероятность повреждения достаточно велика. Известно, что дефекты трансформаторов могут возникнуть вследствие воздействия целого ряда факторов. Поэтому в соответствующих нормативных материалах рекомендуется сбор и анализ условий предшествующей информации. Механизм анализа не оговаривается. Отсутствие этой информации приводит к тому, что периодичность и объем испытаний оборудования регламентируются, как детерминированные величины, т.е. величины, не зависящие от технического состояния оборудования. В определенной мере решение вопроса о сроках проведения испытания и ремонта достигается оценкой
остаточного срока службы до отказа работоспособности (aT* ). Оценка этой величины, в соответствии с [1], проводится по формуле
АТс (tk)=min АТс,1 (tk); АТс,2 (tk );•••;\Тс,ш (tk); (1)
* , ч 1 - Izi (tk )
ATc,j (tk ) = -=--1-=, (2)
v[Izj (tk )]
где tk - дата контрольного испытания; т - число показателей, характеризующих техническое состояние оборудования; Izj (tk ) - величина износа материала в момент t k , вычисляется по формуле П j (tk )-П j 0
Iz j (tk ) =-:—, j= 1 m (3)
П j,доп (tk )-П j,0
где П j (tk ) - условное обозначение количественной оценки j-го показателя в момент времени tk ; П j о и П j ,доп - исходные и предельно-допустимые значения j-го показателя; V\lzj (tk )] - скорость изменения значения j-го показателя в момент tk вычисляется по формуле
© Э.М. Фархадзаде, А.З. Мурадалиев, Т.К. Рафиева, С.М. Исмаилова Проблемы энергетики, 2009, № 7-8
г [[ «к -, (4)
(( у ,доп - К у ,исх г<(к - * П ) где *п - момент предшествующего испытания.
В работе [1] получены также формулы, которые учитывают возможные вариации при изменении П у (*к ) с /=1, т, а также определенное восстановление
износа в период между ремонтами. Суть их схожа с формулами (1) и (2). Эти формулы могут быть использованы и для характеристики развивающихся дефектов.
Вопрос о времени возникновения дефекта оставался открытым во многом потому, что отсутствовала количественная интерпретация понятия «дефект». Несмотря на ряд формулировок, по мнению авторов, в них недостаточно отображалась физическая суть процесса.
Кратко рассмотрим этот вопрос. Известно, что в процессе эксплуатации оборудования происходит монотонное ухудшение электрических, электромагнитных, тепловых, механических и прочих свойств элементов конструкции. Закономерности изменения этого процесса достаточно сложны, включают непрерывную и дискретную составляющие, определяются многими эксплуатационными факторами. Хорошо известны случаи старения изоляции, коррозии металла и многие другие.
На определенном этапе износа, когда ресурс бездефектности преодолен, начинают проявляться «слабые звенья» материалов, как следствие их неоднородности. Эти слабые звенья принято называть местными дефектами. Проявляются они в том, что скорость износа материала существенно возрастает. Аналогом понятия ресурс бездефектности является «порог чувствительности» [2]. Число дефектов и их разновидности зависят от срока службы оборудования (Тс ) и, без сомнения, увеличиваются по мере роста Тс . Подтверждением тому является опыт осмотра оборудования, отключенного для проведения капитального ремонта.
Таким образом, под временем возникновения местного дефекта (в дальнейшем - дефекта) будем понимать момент времени, начиная с которого скорость износа оборудования возрастает. Практическую реализацию этого подхода мы рассмотрим на примере изменения технического состояния силовых трансформаторов по данным хроматографического анализа горючих газов, растворенных в трансформаторном масле (ХАРГ).
Процесс изменения концентрации растворенных в масле газов в реальных условиях существенно отличается от «лабораторных» моделей, когда для фиксированного типа дефекта (электрический разряд или нагрев) и характера их проявления исследуется соотношение выделяемых в масле газов. В реальных условиях газы выделяются также в результате старения изоляции трансформаторов, воздействия перенапряжений, сквозных токов короткого замыкания, изменения нагрузки и многих других эксплуатационных факторов. Интенсивность этого процесса существенно возрастает при возникновении одного из многих возможных дефектов.
Опыт эксплуатации показывает, что заслуживающее внимания изменение концентрации растворенных в масле газов наиболее часто проявляется в превышении скорости изменения относительной концентрации газа допустимой величины V [5А(* )]доп. Такой трансформатор берется на контроль и через 1^2
недели проводится контрольный ХАРГ.
Известные рекомендации по оценке V [бА^ )]д0п основываются на приведении абсолютной скорости нарастания г-го газа в момент ^j+l к предшествовавшему значению (в момент t j) концентрации этого газа по формуле
/ \ А(*1+1)- А(*1 ) Vотн (tj+l )= /-— • 100 (% в мес.), (5)
A(tj У А—
что ограничивает возможность анализа динамики изменения ^тн (t) . Чтобы
преодолеть эту трудность, рекомендуется расчеты относительной скорости изменения концентрации г-го газа выполнять по формуле
VМ(+1 )]= 6Аг (tj+l)- 6Аг (tjУ = Аг +1)- А (tj),
(6)
А— а I ,гр
где ат—+1 =(tj+1 - tj ).
При этом предполагается, что верхнее граничное (допустимое) значение V [бА; ^)]доп ^ 10 % , что исключает различие требований к V [бА; (t)] в момент
t j и tj+k и условия V0тн )< 10% вследствие эффекта монотонного увеличения скорости.
Если в результате обработки данных контрольного ХАРГ установлено, что скорость еще более возросла, то, при сохранении предположения о линейном характере изменения относительной концентрации газа в масле силовых трансформаторов, оценка момента изменения скорости может быть выполнена решением следующего уравнения:
бА;ик)=V[бА;— -tj)= бА;—)-V[бА;—)] — -), (7)
где /=1,7; -1 — = АТх ; tj+l - tj = АТ1 ; t—+г - tj+l = АТ2 ; t—+3 -1—+г = АТ3 ; 3
tj+з -1: х = Е ату - атХ ;
у=1
бА; (t—+з ) - относительная концентрация ¿-го газа в момент t—+3, вычисляется по формуле
бА, —з )= А — )- ^
(8)
А • - А ■
доп исх
где А;, исх и А;, доп - соответственно, исходное и допустимое (граничное) значения концентрации «-го газа; V[бА; ^—+1)] и V[бА; ^—+3)] - скорости изменения относительной концентрации газа в моменты ^+1 и t—+3 , вычисляются по формулам:
)]-АЫ)) ; (9)
—1 ,доп - Аг ,исх )' АТ1
v[-aJ^—Ь^) (10)
,доп - Аг ,исх )- АТ3
А' j+l ) - результат оценки концентрации г-го газа при ХАРГ в момент *у+1. Решив уравнение (7) относительно * х , получим
3
Iх - tj + АГХ - tj +-
К — 3 ) АТ, -М1 -j+3 )
V-1
V[ {tj+3)]- V[ (^+1)]
(11)
На рис. 1 приведена графическая иллюстрация сущности величины * х и
рекомендуемая последовательность ее оценки. Как следует из рис. 1, реальный процесс изменения относительной величины концентрации г-го газа соответствует маршруту асde, а регистрируемый по данным ХАРГ - маршруту abde.
Заметим, что точность метода зависит, прежде всего, от точности измерения диагностических параметров, предшествовавшего моменту измерения режима работы трансформатора (в том числе длительности простоя в нерабочем состоянии), срока службы, износа и др. Однако она, как правило, достаточна для выявления факторов, вызвавших изменение диагностических параметров, и более точна, чем эвристический подход.
Рис. 1. Графическая иллюстрация алгоритма оценки величины ^
Пример 1. В табл. 1 приведены данные о значениях концентрации метана (СН4) по данным ХАРГ через, соответственно, А7х=6 мес., АГ2=5 мес. и Д7э=0,25 мес. после капитального ремонта силового трансформатора, а в табл. 2 - результаты расчетов показателей относительной концентрации 5А-* j) и скорости изменения
концентрации V[бА-* у )], соответственно, по формулам (8) и (10).
Таблица 1
Сведения о концентрации метана в пробах трансформаторного масла (% об)
После капитального ремонта, % об Контрольные измерения
ДТ1 = 6мес., % об ДТ2 = 5 мес., % об ДТ3 = 0,25мес., % об
0,0015 0,0025 0,0075 0,0085
Таблица 2
Результаты расчетов показателей изменения концентрации метана
ДТ = 6 мес. ДТ2 = 5 мес. ДТ3 = 0,25 мес.
6АС1) ^бАСЛ бА(<2) У[бА(12)] Аз) У[бА(1з)]
о.е. % мес о.е. % мес о.е. % мес
0,117 1,95 0,706 11,8 0,823 46,8
Как следует из табл. 2, при контрольном измерении концентрации метана в пробе трансформаторного масла установлено существенное увеличение V[6А(*— )] по сравнению со скоростью изменения в первые 6 месяцев
эксплуатации (46,8/1,95 = 24 раза). Определим величину АТх . В соответствии с формулой (11) и данными табл. 2 имеем
(46,8 11,25)10-2 - 0,823
АТХ =-= 9,9 мес.
(46,8 -1,95)10 -2
Анализ эксплуатационных факторов показал, что в этот момент времени отмечено подключение нового потребителя к подстанции и увеличение нагрузки силового трансформатора. Заметим, что целью контрольного ХАРГ был анализ влияния увеличения нагрузки трансформатора на концентрацию растворенных в трансформаторном масле газов.
Как известно, изменение 6А(* ) происходит не только из-за развивающихся дефектов силовых трансформаторов, но и вследствие воздействия ряда эксплуатационных факторов. Одни факторы приводят к увеличению концентраций растворенных газов в масле (к ним относятся: увеличение нагрузки, доливка масла, бывшего в эксплуатации и содержащего растворенные газы, и т.д.), другие же - к уменьшению концентрации растворенных газов (например, замена селикогеля, дегазация масла и др.).
На практике значительный интерес представляют вопросы о величине и длительности изменения 6А(* ). Графическая иллюстрация процесса изменения 6А(*) приведена на рис. 2, а и 2, б.
1 5Д(Г)
/ АГ, Гч *
О ¿Г+1 'ж */+3 (у
а)
Рис. 2. Графическая иллюстрация изменения bÄ(t) при воздействии эксплуатационных факторов вызывающих: а) увеличение£А(0; б) уменьшение 8Ä(i)
Из этих графиков наглядно видно, что действительная закономерность изменения öÄ(t) существенно отличается от кусочно-линейной кривой, построенной по данным ХАРГ. Так, на рис. 2, а показано совмещение двух процессов изменения öÄ(t). Первый из них связан с естественным старением изоляции, изменением ее диэлектрических свойств, теплопроводности, механической прочности. Второй процесс обусловлен эксплуатационным фактором, вызывающим в момент tх увеличение 6А(t) масла трансформаторов. Действительная закономерность изменения öÄ(t) характеризуется маршрутом abefcd, а формируемая по данным ХАРГ - маршрутом abcd. Аналогичное заключение может быть сделано и по данным рис. 2, б. На этом рисунке на процесс монотонного (линейного) изменения öÄ(t) накладывается процесс изменения öÄ(t) вследствие воздействия, вызывающего резкое уменьшение öÄ(t).
Чтобы рассчитать величину öÄ(t) в результате некоторого воздействия, воспользуемся уравнениями прямых, проходящих через точки a и b, c и d, имеющих, соответственно, вид:
öÄ(t) = V[5Ä(tj+1 )]• t; (12)
8Ä(t) = V[8Ä(tj+3 )]• (t - tj+2 )+ öÄ(tj+2 ). (13)
Если обозначим величину относительной концентрации растворенных в масле газов до воздействия в момент t х некоторого эксплуатационного фактора через öÄ(tх ), то, в соответствии с уравнением (12),
öÄ(tх ) = V[öÄ(tj+i )]• tх и графически иллюстрируется отрезком прямой, соединяющей точки t х и е.
После воздействия этого фактора относительная концентрация газов, растворенных в трансформаторном масле, практически мгновенно изменяется и, в соответствии с уравнением (13), становится равной
SA(t х ) = V [öÄ(tj+3 )]• (t х - tj+2 )+ SA (tj+2 ) (14)
и графически отображается отрезком прямой, соединяющей точки tх и f .
В соответствии с рис. 2 величина воздействия эксплуатационного фактора отображается отрезком прямой fe , который для рис. 2, а вычисляется как
разность отрезков t х f и t х е по формуле
А1 [A(t х )] = V [5A(t j+3 )]• (t х - tj+2 )+ 5A(t j+2 )- V [8A(t j+i )] t х , (15) а для рис. 2, б вычисляется как разность отрезков t х е и t х f по формуле
А 2 [A(t х )] = V [SAj )]• t х - V [5A(tj+3 )](t х - tj+2 )- SAj )]. (16) Таким образом,
A[SA(t х )] = А1 [SA(t х )] = - А 2 [SA( t х )]. (17)
Завершение изменения величины SA(t) , обусловленной воздействием эксплуатационного фактора, происходит в момент времени ty, который, исходя из уравнений (12) и (13), вычисляется по формуле
t = SA(tj+2 )- V[sA(tj+3 )]t j+2 , (18)
' V[SA(tj+1 )]- V[SA(tj+3 )] ,
а длительность изменения относительной концентрации газов в трансформаторном масле бездефектного трансформатора вычисляется по формуле
ATy = ty -1 х. (19)
Анализ графиков рис. 2 свидетельствует о том, что возникновение внезапного изменения (увеличения или уменьшения) SA(t), вследствие воздействия эксплуатационных факторов, приводит к снижению скорости V[SA(t)] на интервале [tj+2 ; tj+3^ (при увеличении SA(t)), или на интервале
[tj+1; tj+2 ] (при снижении SA(t) ) и может рассматриваться как диагностический признак причин изменения SA( t). Заметим, что при наличии дефектов силового трансформатора скорость изменения SA(t) удовлетворяет условию
V[SA(tj )]< V[SA(tj+1 )]< V[SA(tj+2 )], где tj < tj+1 < tj+2 . (20)
Выводы
Техническое состояние силовых трансформаторов в значительной степени зависит от воздействующих эксплуатационных факторов. Рекомендуемые формулы для расчета времени возникновения дефекта (АТХ), интенсивности A[S(t)j
© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8
и длительности (ДТу) воздействия эксплуатационных факторов на изменение концентрации растворенных газов по данным ХАРГ позволяют повысить объективность анализа технического состояния силовых трансформаторов.
Summary
The method of an estimation of the moment of occurrence change of growth of concentration of the gases dissolved in oil is developed, allowing to establish presence of a developing defect of the transformer, the basic gases, probable type of defect and character of its display.
Key words. Transformers, reliability, diagnostics, operating time to defects.
Литература
1. Фархадзаде Э.М., Мурадалиев А.З., Никджу А.Д. Методы оценки долговечности невосстанавливаемых элементов. Изд. ELM, Баку. Проблемы энергетики. 2001. № 1. С. 21-30.
2. Герцбах И.Б., Кордонский Х.Б. Модели отказов. М.: Советское радио, 1966. 166 с.
Поступила в редакцию 24 апреля 2009
Фархадзаде Эльмар Мехти оглу - д-р техн. наук, профессор, руководитель лаборатории «Надежность энергетического оборудования» АзНИПИИ Энергетики г. Баку. E-mail: fem1939@rambler.ru.
Мурадалиев Айдын Зураб оглу - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Надежность энергетического оборудования» АзНИПИИ Энергетики г. Баку.
Рафиева Тамара Каировна - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Надежность энергетического оборудования» АзНИПИИ Энергетики.
Исмаилова Симузар Мовлан кызы - аспирантка, инженер лаборатории «Надежность энергетического оборудования» АзНИПИИ Энергетики г. Баку.
