CC BY
22
А. Н. НАЗАРЫЧЕВ, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры пожарной профилактики (в составе УНК "Государственный пожарный надзор") Ивановского института ГПС МЧС РФ, г. Иваново, Россия С. Н. ЖИВОТЯГИНА, канд. хим. наук, заместитель начальника кафедры пожарной профилактики (в составе УНК "Государственный пожарный надзор") Ивановского института ГПС МЧС РФ, г. Иваново, Россия И. Ю. ЗЕЛЕНЦОВ, старший диспетчер филиала ОАО "Системный оператор Единой энергетической системы" Регионального диспетчерского управления энергосистемы Владимирской обл., г. Владимир, Россия
УДК 621.314.22
ПОВЫШЕНИЕ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ВЫЯВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ
На основе теории факторного анализа разработана методика определения развивающихся комбинированных дефектов в маслонаполненном электрооборудовании по методу хромато-графического анализа растворенных в масле газов с помощью обобщенных диагностических показателей, указывающих на наличие одновременно нескольких дефектов. Показано, что методика позволяет повысить пожарную безопасность высоковольтного маслонаполненного электрооборудования объектов энергетики за счет своевременного выявления и устранения в процессе планово-предупредительного ремонта комбинированных дефектов на ранней стадии их развития.
Ключевые слова: пожарная безопасность; электрооборудование; факторный анализ; техническая диагностика; хроматографический анализ растворенных газов; комбинированный дефект.
Пожарная опасность высоковольтного маслонапол-ненного электрооборудования (МНЭО) связана с эксплуатацией на электростанциях, подстанциях и в системах электроснабжения большого количества силовых трансформаторов и автотрансформаторов, шунтирующих и токоограничивающих реакторов, маслонаполненных вводов и масляных высоковольтных выключателей, измерительных трансформаторов тока и напряжения. Анализ статистики пожаров за 2006-2010 гг. на подстанциях (ПС) напряжением 220-750 кВ показал, что 90 % пожаров на них связаны с возгоранием масла, которое используется в высоковольтном электрооборудовании как изолирующая, охлаждающая или дугогасительная среда.
Наиболее пожароопасными дефектами МНЭО являются внутренние короткие замыкания (КЗ) в обмотках, вводах, устройствах регулирования напряжения силовых трансформаторов под нагрузкой (РПН) и других конструктивных элементах. При внутренних КЗ образуется электрическая дуга и, как следствие, выделяются в большом объеме газы, являющиеся продуктами разложения масла, что приводит к быстрому повышению давления в корпусе. При этом защитные устройства МНЭО (предохранительные клапаны) в случае повреждения могут не обеспе-
чить снижения давления, что может привести к разгерметизации и разрыву корпуса. Разрыв бака, например, силового трансформатора вызывает разлив большого количества масла и зачастую образование большого очага пожара вследствие контакта разогретых горючих газов с кислородом воздуха.
Пожар МНЭО приносит огромный материальный ущерб как от прямой порчи оборудования, так и от недоотпуска электроэнергии потребителям. Анализ степени повреждения силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ мощностью 63 МВА и более показывает [1], что интенсивность отказов трансформаторов из-за внутренних КЗ составляет 45 % в год, из них 24 % повреждений сопровождаются возгораниями и пожарами. Таким образом, вероятность возгорания трансформатора составляет 110-3 в год. В ряде случаев пожар МНЭО возникает из-за нарушений противопожарной безопасности при эксплуатации, но в основном это результат износа и старения МНЭО. Поэтому актуальной является проблема повышения пожарной безопасности эксплуатируемого на объектах энергетики МНЭО.
Одним из путей обеспечения пожарной безопасности в рамках исполнения Федерального закона РФ № 123-Ф3 [2] и приказа № 91 МЧС России [3] явля-
© Назарычев А. Н., Животягина С. Н., Зеленцов И. Ю., 2012
ется разработка декларации пожарной безопасности производственного объекта. В энергетике это касается прежде всего электрических станций, подстанций, линий электропередачи, которые относятся к опасным производственным объектам, идентифицируемых по признаку наличия пожароопасного вещества. Повысить пожарную безопасность МНЭО можно путем проведения технической диагностики, которая позволяет оценить техническое состояние МНЭО в процессе эксплуатации, выявить и устранить дефекты на ранней стадии их развития. Для диагностики развивающихся дефектов МНЭО используется метод хроматографического анализа концентраций растворенных в масле газов (ХАРГ) [4]. При помощи этого метода выявляют две группы дефектов, связанных:
• с перегревом токоведущих соединений и элементов конструкции МНЭО;
• с электрическими разрядами в масле.
Наиболее сложной задачей при диагностике
МНЭО является выявление комбинированных дефектов (например, для силового трансформатора), сочетание дугового разряда в обмотке и перегрев сердечника. Решение этой задачи является актуальной проблемой, позволяющей более глубоко и достоверно выполнить оценку технического состояния и тем самым обеспечить пожарную безопасность МНЭО.
Выявление комбинированных дефектов в МНЭО предлагается осуществлять на основе совершенствования и развития методики ХАРГ, определяя обобщенные диагностические показатели с помощью теории факторного анализа. Обобщенные диагностические показатели указывают на наличие одновременно нескольких дефектов. Методика включает семь этапов.
1. Формируется матрица концентраций газов (матрица данных). В результате диагностики МНЭО по методу ХАРГ получена совокупность из п-го числа последовательно проведенных анализов, в каждом из которых получена концентрация, например, для трансформаторного оборудования семи газов, растворенных в масле [4]. Эти данные могут быть представлены в виде матрицы размерностью 7хп:
С =
СС021 СС022 С Л . СС02п
СС01 СС0 2 . СС0 п
ССН41 ССН4 2 . ССН4 п
СС2Н41 СС2Н4 2 ■ . СС2Н4 п
СС2Н21 СС2Н22 . . СС2Н2 п
СС2Нб1 СС2Нб2 . . ССгНб п
СН2 1 СН2 2 . СН2п )
(1)
2. Производится нормирование матрицы концентраций газов. Концентрации различных газов имеют
одинаковые единицы измерения, но при этом граничные значения концентраций отдельных газов различаются. Чтобы можно было сопоставить концентрации всех семи газов и устранить влияние различных единиц масштаба, матрицу концентраций газов следует пронормировать. Нормированная по [5, 6] матрица концентраций газов Z имеет вид:
сп ~ С Z = ^--
(2)
где с-- — концентрация г-го газа ву-м хроматографи-
у
ческом анализе;
п
= 1
=
У=1
п -
1Ё С - с)2.
1 г = 1
3. Определяются коэффициенты корреляции. Выборочный коэффициент корреляции ггк между концентрациями газов г- и гк рассчитывается по выражению
Ё
У =1
-]гк]
Ё гУ
Ё г 2 Ё
п - 1 - = 1
У гк-.
(3)
У = 1
4. Выполняется оценка общностей по одному из известных методов. Например, в качестве оценки общности можно принять среднее арифметическое коэффициентов корреляции одной из переменных с остальными переменными [5, 6]:
н2 =
1
т - 1
т-1
Ё'
к=1
гк'
г ф к,
(4)
= (/ 2 Г21 г12 . *2 . .. Г1т .. г2т
V Гт1 гт2 . .. ¿т
где т — количество переменных концентраций газов; т = 7.
5. Формируется редуцированная корреляционная матрица Як по [5, 6] с учетом полученных коэффициентов корреляции и значений общностей:
(5)
Из (5) видно, что на главной диагонали редуцированной корреляционной матрицы расположены общности, а остальные элементы совпадают с соответствующими коэффициентами корреляции между наблюдаемыми переменными.
6. Определяются факторные нагрузки.
Определяем собственные вектора а; и соответствующие им собственные значения 'к1 матрицы Як, используя стандартные пакеты прикладных программ, например таких, как МаШЬаЪ или МаШСаё. Искомые значения элементов аи матрицы факторных на-
г^ =
гк
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №8
57
грузок А получаются по компонентам собственных векторов ац матрицы Як нормированием:
а
а,7 =
(6)
а
21
ш1
Проанализировав полученные факторные нагрузки, выберем те из них, которые имеют отличные от нуля действительные значения. Пусть их количество равно г, тогда факторное отображение примет вид:
А =
аС021 аС022 . аС02г
аС01 аС0 2 . аС0 г
аСН41 аСН42 . аСН4г
аС2Н41 аСгН42 ■ . аС2Н4 г
аС2Н21 аС2Н22 . . аС2Н2 г
аСгН61 аСгН62 . . аС2Н6 г
а Н21 аН2 2 . аН2г у
(7)
7. Выполняется оценка полученных результатов. Для выявления числа факторов, воздействующих на содержание и изменение концентраций газов, растворенных в масле, достаточно определить факторное отображение. Факторные нагрузки будут отражать влияние факторов на содержание конкретного газа. В случае если, кроме первого главного фактора, имеет место и второй главный фактор (даже если его влияние незначительно), то можно говорить о наличии начальной стадии развития второго дефекта в МНЭО. Поэтому если, помимо основного явно выраженного дефекта, имеется второй дополнительный фактор, вызывающий изменение содержания газов в масле, то возникает необходимость детального анализа условий и режимов работы МНЭО.
Рассмотрим пример реализации приведенной методики с учетом математического аппарата получения обобщенных диагностических показателей ХАРГ, приведенного в [7]. Для силового трансформатора ТДЦ-250000/220 получены данные ХАРГ, показанные в табл. 1.
Сформируем матрицу концентраций газов С, которая примет вид:
^0,158282 0,017428 0,000078 0,000062 0,000146 0,000038 0,000684
0,168277 0,031890 0,007430 0,014590 0,023811 0,000828 0,032122
0,172659 0,033630 0,006880 0,014680 0,023655 0,000730 0,033724
0,180243^
0,031885
0,008973
0,017676
0,029581
0,001058
0,035751
Подвергнем матрицу С нормированию по формуле (2), получим матрицу Z = (гф нормированных (стандартизированных) значений:
-1,2633 -1,4911 -1,4616 -1,4752 -1,4662 -1,4246 -1,4940
-0,1732 0,4206 0,4033 0,3581 0,3455 0,3747 0,3933
0,3047 0,6506 0,2637 0,3695 0,3335 0,1515 0,4895
1,1319 ^
0,4199
0,7946
0,7476
0,7872
0,8985
0,6112
Выборочные коэффициенты корреляции между г-й и к-й переменными вычислим по формуле (3) и сформируем корреляционную матрицу Я:
(1
0,8282 0,9188 0,9201 0,9284 0,9326 0,8868
0,8282 1
0,9515 0,9682 0,9597 0,9192 0,9895
0,9188 0,9515 1
0,9974 0,9986 0,9957 0,9857
0,9201 0,9682 0,9974 1
0,9995 0,9878 0,9942
0,9284 0,9597 0,9986 0,9995 1
0,9920 0,9903
0,9326 0,9192 0,9957 0,9878 0,9920 1
0,9663
0,8868Л
0,9895
0,9857
0,9942
0,9903
0,9663
1
Вычислим общности по формуле (4) и сформируем редуцированную корреляционную матрицу Яй:
(0,9025 0,8282 0,9188 0,9201 0,9284 0,9326
V0,8868
0,8282 0,9360 0,9515 0,9682 0,9597 0,9192 0,9895
0,9188 0,9515 0,9746 0,9974 0,9986 0,9957 0,9857
0,9201 0,9682 0,9974 0,9779 0,9995 0,9878 0,9942
0,9284 0,9597 0,9986 0,9995 0,9781 0,9920 0,9903
0,9326 0,9192 0,9957 0,9878 0,9920 0,9656 0,9663
0,8868 0,9895 0,9857 0,9942 0,9903 0,9663 0,9688
Определим факторные нагрузки, и факторное
отображение примет вид:
(0,9220 -0,2377Л
0,9570 0,2026
0,9959 -0,0124
А = 0,9992 0,0216
0,9994 -0,0103
0,9867 -0,0928
V0,9901 0,1190 у
Таблица 1. Результаты ХАРГ для трансформатора ТДЦ-250000/220
С
Z
Я
Я
й
Номер анализа Концентрация газа, % об.
СО2 СО СН4 С2Н4 С2Н2 С2Н6 Н2
Номер газа (согласно рисунку)
1 2 3 4 5 6 7
1 0,158282 0,017428 0,000078 0,000062 0,000146 0,000038 0,0006840
2 0,168277 0,031890 0,007430 0,014590 0,023811 0,000828 0,0321220
3 0,172659 0,033630 0,006880 0,014680 0,023655 0,000730 0,0337240
4 0,180243 0,031885 0,008973 0,017676 0,029581 0,033724 0,0335751
Таблица 2. Дисперсии первого и второго факторов, общность и характерность
Нагрузка фактора Дисперсия фактора Общность Характерность
первого второго первого второго
0,9220 -0,2377 0,85008400 0,05650129 0,90658529 0,09341471
0,9570 0,2026 0,91584900 0,04104676 0,95689576 0,04310424
0,9959 -0,0124 0,99181681 0,00015376 0,99197057 0,00802943
0,9992 0,0216 0,99840064 0,00046656 0,99886720 0,00113280
0,9994 -0,0103 0,99880036 0,00010609 0,99890645 0,00109355
0,9867 -0,0928 0,97357689 0,00861184 0,98218873 0,01781127
0,9901 0,1190 0,98029801 0,01416100 0,99445901 0,00554099
Таблица 3. Суммарные значения дисперсии, общности и характерности
80 85 90 95
Дисперсия фактора, %
| | Первый фактор
^ Второй фактор
Характерный фактор
Влияние факторных нагрузок на содержание соответствующих газов в масле
По известным факторным нагрузкам определим при помощи соответствующих выражений [7] значения дисперсии первого и второго факторов каждой переменной, а также их общность и характерность (табл. 2). Графически данные табл. 2 представлены на рисунке (в % от полной дисперсии). Суммарные значения этих показателей приведены в табл. 3.
Полученные результаты показывают, что выделено два фактора, первый из которых оказывает существенное влияние на содержание газов (дисперсия первого фактора 95,84 % полной дисперсии), а второй — лишь незначительное. Следовательно, можно говорить о наличии одного ярко выраженного развивающегося дефекта трансформатора. Наличие второго главного фактора, хотя его влияние и незначительно, может указывать на наличие второго дефекта, находящегося в начальной стадии развития, либо наличие других причин появления или изменения концентраций газов, растворенных в масле. Это свидетельствует о необходимости детально-
Показатель Значение показателя
доли ед. %
Полная дисперсия 7 100
Дисперсия первого фактора 6,70882571 95,84036729
Дисперсия второго фактора 0,12104730 1,729247143
Суммарная общность 6,82987301 97,56961443
Суммарная характерная дисперсия 0,17012699 2,430385571
го анализа режимов работы и условий эксплуатации силового трансформатора ТДЦ-250000/220.
Таким образом, применение факторного анализа приводит к сжатию первичной информации, получению меньшего количества обобщенных показателей, описывающих состояние трансформатора по содержанию семи газов, растворенных в масле. Факторный анализ позволяет выявить факторы, влияющие на состояние объекта, но непосредственно не измеряемые.
Заключение
Действующая методика ХАРГ дает возможность определить наличие лишь одного дефекта. Однако нельзя исключать существование другого дефекта, который может проявиться при дальнейшей эксплуатации и вызвать возгорание МНЭО. Применение теории факторного анализа позволяет усовершенствовать методику ХАРГ путем получения обобщенных диагностических показателей и на основе выявления числа факторов появления или изменения концентраций растворенных в масле газов помогает установить факт наличия комбинированных дефектов МНЭО. Выявление комбинированных развивающихся дефектов снижает уровень пожарной опасности, прежде всего за счет своевременного выявления наличия второго (комбинированного) дефекта, а также устранения всех обнаруженных дефектов при очередном планово-предупредительном ремонте МНЭО.
!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №8
59
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ванин Б. В., ЛьвовЮ. Н., ЛьвовМ. Ю. и др. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в эксплуатации // Электрические станции. — 2001. — № 9.
2. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. закон от 22.07.2008 г. № 123-Ф3; принят Гос. Думой 04.07.2008 г.; одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 г. — М. : ФГУ ВНИИПО, 2008. —157 с. // Российская газета. —2008. —№163; Собр. законодательства РФ. — 2008.—№30.
3. Об утверждении формы и порядка регистрации декларации пожарной безопасности : приказ МЧС России от 24.02.2009 г. № 91; зарег. в Минюсте РФ 23.02.2009 г., рег. № 13577; введ. 01.05.2009 г. // Бюл. строительной техники. —2009. —№ 5.
4. РД 153-34.0-46.302-00 (СО 34.46.302-00). Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле : утв. РАО "ЕЭС России" 12.12.2000 г.; введ. 01.01.2001 г. —М.: АО ВНИИЭ, 2000.
5. Иберла К. Факторный анализ / Пер. с нем. В. М. Ивановой. — М. : Статистика, 1980. — 398 с.
6. Харман /.Современный факторный анализ / Пер. с англ. В. Я. Лумельского; под ред. Э. М. Бра-вермана. — М. : Статистика, 1972. — 487 с.
7. Назарычев А. Н., Зеленцов И. Ю. Совершенствование метода хроматографической диагностики развивающихся дефектов в электрооборудовании на основе теории факторного анализа // Вестник ИГЭУ. —2011.—№ 1. —С. 47-53.
Материал поступил в редакцию 14 июня 2012 г.
Электронные адреса авторов: nazarythev@mail.ru;
Jivotjagina@mail.ru; zelentsov_iu@mail.ru.
Издательство «П0ЖНАУКА»
А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.
В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.
Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru
