CC BY
9
© И.И. Литвинов, О.В. Танфильев, А.А. Марченко, Д.В. Корнилович, В.A. Титов УДК 621.311
ПРИМЕНЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗНОГО АНАЛИЗА ТОКА НАМАГНИЧИВАНИЯ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ТОКА
И.И. Литвинов, О.В. Танфильев, А.А. Марченко, Д.В. Корнилович,
ВА. Титов
Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7390-165X, litvinovii@mail.ru
Резюме: ЦЕЛЬ. Разработать метод диагностики повреждений трансформаторов тока, позволяющий с высокой точностью определять повреждения в обмотках трансформатора, а также дефекты в его магнитной системе. Определить способ математической обработки тока намагничивания измерительного трансформатора для эффективного выявления повреждений. Определить чёткий критерий неисправности трансформатора тока в соответствии с результатами обработки тока намагничивания по предложенному алгоритму. МЕТОДЫ. Для анализа гармонического состава тока намагничивания применяются методы цифровой обработки сигналов, включающие в себя цифровую фильтрацию и разложение сигнала в ряд Фурье. Для исследования гармонического состава тока намагничивания трансформатора тока при появлении и развитии повреждений в его обмотках и магнитной системе была проведена серия натурных испытаний. РЕЗУЛЬТАТЫ. Рассмотрены существующие методы выявления повреждений трансформаторов тока, описаны их достоинства и недостатки. Предложен способ выявления повреждений трансформатора тока с помощью анализа соотношения амплитуд и начальных фаз основной и высших гармоник тока намагничивания. Получение необходимых данных может быть осуществлено во время плановых работ по снятию вольт-амперной характеристики трансформатора при помощи устройства РЕТОМ-51(61). Проведены испытания различных типов трансформаторов тока с целью поиска диагностического критерия описанного метода, позволяющего эффективно выявлять повреждения в трансформаторах тока разной конструкции. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате анализа экспериментальных данных сформированы рекомендации к применению предлагаемого метода: запись мгновенных значений тока рекомендуется проводить одновременно со снятием вольт-амперной характеристики для нескольких точек линейной и нелинейной части, при этом для подтверждения наличия повреждения достаточно зафиксировать отклонение фазы или амплитуды расчетного вектора, определяемого по соотношению гармонических составляющих тока намагничивания, хотя бы на 10% в одной или более точках. Применение описанного метода позволит достоверно выявлять внутренние повреждения трансформаторов тока без существенного усложнения диагностического и испытательного оборудования.
Ключевые слова: трансформаторы тока, диагностика, гармонический анализ, ток намагничивания, витковые замыкания, повреждения сердечника.
APPLICATION OF AMPLITUDE-PHASE ANALYSIS OF MAGNETIZING CURRENT TO DIAGNOSE CURRENT TRANSFORMERS DAMAGES
II. Litvinov, OV. Tanfilev, AA. Marchenko, DV. Kornilovich,
VA. Titov
Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7390-165X, litvinovii@mail.ru
Abstract: THE PURPOSE. To develop the method for diagnosing faults in current transformer windings and magnetic core. To determine the mathematical processing method of the instrument transformer magnetizing current for effective diagnostics. To determine the criterion for the fault detection. METHODS. To analyze the harmonic composition of the magnetizing current, digital signal processing was used, including digital filtering and Fourier series expansion. To study the
magnetizing current of a current transformer with damages of different severity, a series of field tests was carried out. RESULTS. The existing methods for current transformers diagnostics are considered, their advantages and disadvantages are described. A method for detecting damage in a current transformer by analyzing the ratio of amplitudes and initial phases of the fundamental and higher harmonics of its magnetizing current is proposed. Obtaining the necessary data can be carried out during the scheduled work on checking the excitation characteristic of the transformer using the RETOM-51(61) device. Various types of current transformers were tested in order to find a diagnostic criterion fitting for current transformers of different construction. CONCLUSION. As a result of the experimental data analysis, recommendations were formed on how to use the proposed method: it is recommended to oscillography the instantaneous values of the magnetizing current during magnetizing characteristics test for several points of the linear and nonlinear parts of the excitation curve. To detect a damage, it is enough to find at least 10% deviation of the phase or amplitude of the complex phasor at one or more points of the excitation curve. The phasor mentioned is determined by the ratio of the magnetizing current harmonic components. Application of the described method will make it possible to reliably identify internal faults of current transformers without significant complication of diagnostic equipment.
Keywords: current transformers; diagnostics; harmonic analysis; magnetizing current; turn faults; magnetic core damage.
Введение
Витковые замыкания (ВЗ) являются одним из наиболее частых видов повреждения трансформаторного оборудования в целом и в частности - трансформаторов тока (ТТ). Опасность виткового замыкания заключатся в том, что ток в замкнутых витках обмотки может в сотни раз превосходить номинальное значение тока этой обмотки, что вызывает недопустимый нагрев проводников и ускоренное старение прилегающей изоляции1. Вовремя не выявленное ВЗ может привести к выходу из строят ТТ в ответственный момент, что в свою очередь приведёт к отказу в функционировании устройств релейной защиты и автоматики.
Заводские дефекты являются одним из факторов, влияющих на возникновение витковых замыканий. К этим дефектам могут быть причислены: слабый поджим витков, дефекты обмоточного провода, заусеницы на обмотках и т.д. Также к данному типу можно отнести дефекты, возникающие при транспортировке и монтаже трансформаторов тока.
Другим фактором, влияющим на возникновение виткового замыкания, является старение изоляции, которое можно подразделить на механическое, электрическое, тепловое и химическое старение. Процесс старения изоляции сопровождается изменением ее структуры, физико-химических и механических свойств. Все эти изменения, в конечном итоге, завершаются пробоем изоляции.
Так как полностью исключить витковые замыкания не представляется возможным, следовательно, необходимо выявлять эти повреждения на ранней стадии их развития.
В настоящее время разработано множество способов выявления повреждений в измерительных трансформаторах [1], однако каждый из них обладает конечной чувствительностью, что приводит к риску не выявления развивающихся повреждений и выходу ТТ из строя в период между плановым техническим обслуживанием. Многие перспективные методы диагностики ТТ не входят в нормативную документацию по причине недостаточной проработки или своей не универсальности. В этой связи актуальной является задача совершенствования уже существующих и проверенных методов диагностики, закреплённых в нормативных документах, что может быть выполнено путём более глубокого анализа измеренных данных. В настоящей работе предложен способ выявления повреждений в конструкции ТТ путём гармонического анализа тока намагничивания. Снятие необходимых для исследования данных может быть проведено во время плановых испытаний по снятию вольт-амперной характеристики (ВАХ) ТТ, и по своей сути предложенный метод является логическим продолжением метода анализа изменения ВАХ, однако сравнение теперь происходит с учётом амплитуд гармонических слагающих и их начальных фаз.
Натурные испытания на реальных ТТ показали более высокую чувствительность предложенного метода по сравнению с методом анализа ВАХ ТТ. Применение на
1 Диагностические испытания измерительных трансформаторов. [Электронный ресурс]. Доступно по: https://www.omicronenergy.com/ru/primenenija/ispytanija-izmeritelnyKh-transformatorov. Ссылка активна на: 25.10.2020.
практике предложенного метода не представляет значительных сложностей, так как все операции по снятию характеристик и обработке сигналов могут быть запрограммированы в устройстве РЕТОМ, хорошо известном эксплуатации.
Литературный обзор
Базовым методом оценки состояния и погрешности измерительных ТТ является анализ их ВАХ2, при этом о наличии ВЗ судят по снижению ВАХ, снятой в ходе плановой проверки, относительно эталонной характеристики [2]. Применение данного метода не требует наличия сложных и дорогостоящих измерительных приборов, однако указанный метод не всегда обладает достаточной чувствительностью: достоверное выявление ВЗ возможно только при достаточно большом числе замкнутых витков - не менее 2,5% от числа всех витков в обмотке [3]. Поскольку однозначно судить о наличии ВЗ только по одному диагностическому методу невозможно, во время плановых проверок ТТ, кроме снятия ВАХ, также производится замер сопротивления обмотки постоянному току, замер коэффициента трансформации, а также производится (при наличии технической возможности) телевизионный контроль3.
Разработка новых методов диагностики повреждений в измерительных ТТ и их совместное применение с существующими методиками позволит с большей определённостью судить об исправности электрооборудования. Обзор перспективных методов диагностики приводится далее.
1. В работе [4] предлагается выявлять ВЗ в обмотках ТТ при помощи вольтамперфазометра (ВАФ) или снятия значения тока намагничивания в контрольной точке. Общий недостаток двух методов: нет чёткого граничного критерия, по которому можно однозначно судить о неисправности оборудования.
2. Обнаружение короткозамкнутых витков с помощью гибкой измерительной обмотки [5]. Достоинства метода: возможность проведения диагностики в рабочем режиме. Недостатки метода: подходит только для ТТ тороидальной формы; необходимость использования специальной измерительной обмотки для диагностики; для каждого ТТ необходимо рассчитывать число витков измерительной обмотки.
3. Обнаружение короткозамкнутых витков с помощью контроля частичных разрядов [6, 7]. Достоинства метода: выявление повреждений на ранней стадии их развития; возможность быстрого и точного определения места повреждения. Недостатки метода: необходим измерительный комплекс и комплект дорогостоящего ПО для проведения диагностики [8].
4. Анализ частотного отклика. Достоинства метода: подходит для всех типов ТТ. Недостатки метода: для проведения данного метода необходим генератор синусоидальных сигналов, изменяющихся в широком диапазоне частот; невозможность проведения диагностики в рабочем режиме; нет четко установленных границ изменения собственных резонансных частот обмоток.
Помимо этого, существует ряд методов, применяющихся для выявления витковых замыканий в силовых трансформаторах, но еще не изученных или малопригодных для ТТ. Ниже приводятся такие методы диагностики с описанием их достоинств и недостатков.
1. Вибрационная диагностика [9]. Метод применим для диагностики ВЗ и повреждений магнитной системы силовых трансформаторов в процессе эксплуатации, однако в силу малой вибрации ТТ реализация данного метода для их диагностики затруднительна.
2. Контроль магнитного поля рассеяния [10]. Достоинства метода: высокая чувствительность метода (даже при малом количестве замкнувшихся витков картина поля резко меняется); возможность проведения диагностики в рабочем режиме. Недостатки метода: необходимость использования специальных датчиков для диагностики; наложение магнитных полей от другого оборудования; сложность диагностики маслонаполненных трансформаторов.
3. Применение искусственных нейронных сетей (ИНС) для диагностики. Достоинства метода: метод подходит для всех типов трансформаторов; возможность проведения диагностики в рабочем режиме; высокая чувствительность даже к малейшим повреждениям [11]. Недостатки метода: для каждого конкретного трансформатора необходимо предварительно обучать нейронную сеть; поведение обученной ИНС не всегда может быть однозначно предсказуемо.
2Инструкция по проверке трансформаторов тока, используемых в схемах релейной защиты. 2-е изд. М.: Энергия, 1977. 89 с.
3Объём и нормы испытаний электрооборудования. Стандарт организации ПАО «Россети». Дата введения: 29.05.2017. ПАО «Россети». 262 с.
4. Анализ амплитудно-частной характеристики (АЧХ) [12]. Достоинства метода: метод подходит для всех типов трансформаторов; возможность проведения диагностики в рабочем режиме; не требует наличия специального оборудования для диагностики. Недостатки метода: нет четкого критерия выявления повреждения.
5. Дифференциальный способ обнаружения витковых замыканий в трехфазном трансформаторе [13]. Достоинства метода: позволяет не только обнаружить ВЗ в обмотках трехфазного трансформатора, но и оценить тяжесть повреждения. Недостатки метода: техническое решение основано на принципах дифференциальной защиты линий и не учитывает отличительных признаков работы трансформатора.
В работе [14] приводится методика обнаружения дефектов в обмотках трансформатора напряжения (ТН), основанная на совместном использовании метода частотного анализа и метода измерения сопротивления постоянному току. Однако применимость метода для определения повреждений обмоток ТТ не имеет экспериментального подтверждения.
6. Диагностика тока нейтрали [15]. Достоинства метода: для выявления повреждений используется недорогое оборудование, анализирующее только токи и напряжения сети. Метод учитывает особенности конструкции трансформаторов и измерительные погрешности. Недостатки метода: реализация алгоритма требует учета большого количества различных факторов, зачастую определяемых экспериментально.
Выявление повреждений сердечника трансформаторов тока
В процессе эксплуатации сердечник подвергается электрическим, тепловым, химическим и механическим воздействиям. В результате таких воздействий происходят процессы, приводящие к возникновению и развитию дефектов.
Основной причиной, способной вывести магнитопровод из строя, является перегрев. Высокая температура разрушает лаковую пленку и приводит к спеканию стальных листов. Другими распространенными видами повреждений являются: замыкание и выгорание пластин электротехнической стали; местное замыкание пластин электротехнической стали; ослабление прессовки магнитопровода; пробой изоляции обмоток на сердечник. Доля повреждений трансформаторного оборудования, причиной которых является распрессовка магнитопровода и обмоток, составляет значительные 10% [16].
Многие методы выявления ВЗ (например, метод анализа ВАХ, измерения погрешности и коэффициента трансформации), могут быть использованы для выявления дефектов магнитопровода. Однако им присущи все описанные ранее недостатки.
Выявление повреждений сердечника в силовых трансформаторах на данный момент широко производится методом контроля спектра вибрации [17, 18], но для диагностики ТТ он малоприменим, как уже было сказано ранее.
В работе [19] приведен способ искусственного намагничивания сердечника трансформатора, позволяющий снизить нежелательный эффект остаточного намагничивания и разделить потери на потери на гистерезис и потери на вихревые токи. При применении искусственного намагничивания диагностические критерии методов для различных дефектов имеют большие отклонения. Однако гипотеза, приведённая в [20], экспериментально подтверждена только для силовых трансформаторов, применимость метода для ТТ не подтверждена.
Таким образом, проведённый анализ показывает, что развивающиеся ВЗ и дефекты магнитопровода могут остаться не выявленными, а более чувствительные методы диагностики подходят только для ТТ определённой конструкции или требуют наличия специального оборудования, что требует финансовых затрат и соответствующей квалификации персонала. В этой связи актуальной задачей является разработка чувствительного метода выявления внутренних повреждений ТТ, применение которого не требовало бы существенного усложнения диагностического и испытательного оборудования. В настоящей работе предлагается метод амплитудно-фазного анализа тока намагничивания ТТ, который может быть проведён во время плановых работ по снятию ВАХ при помощи устройства РЕТОМ-51(61), которые во многих случаях доступны и хорошо известны эксплуатационному персоналу.
Материалы и методы
В основе предлагаемого метода лежит анализ соотношения амплитуд и начальных фаз основной и высших гармоник тока намагничивания ТТ, измеренного в ходе штатного снятия ВАХ. Как показано далее, такой более детализированный анализ параметров намагничивающего тока позволят с большей достоверностью судить о наличии дефектов в конструкции ТТ, чем метод ВАХ.
При снятии ВАХ ТТ напряжение от стороннего источника подают на клеммы вторичной обмотки, первичная обмотка при этом находится в режиме холостого хода (ХХ). В этом режиме в сердечнике ТТ наводится магнитный поток лишь от вторичной обмотки ТТ, при этом ток намагничивания имеет несинусоидальный вид, содержит нечетные гармоники, ВАХ в свою очередь содержит как нелинейную, так и линейную часть характеристики намагничивания, что соответствует рисунку 1 а.
В соответствии с Т-образной схемой замещения трансформатора, если ТТ имеет ВЗ во вторичной обмотке, то это приводит к шунтированию ветви с нелинейным сопротивлением магнитного сердечника, поэтому ВАХ в пределе приобретает линейный вид, что соответствует рисунку 1 б, при этом ток намагничивания приобретает форму синусоиды.
намагничивания: а) неповрежденного ТТ; б) поврежденного ТТ
При повреждении магнитопровода ВАХ также стремится к линейному виду в результате того, что сопротивление магнитопровода при его повреждениях становится более линейным. Подобные явления возникают при ухудшении качества прессовки пластин сердечника, а также это может быть вызвано повреждением изоляции пластин: возникающие в местах ухудшения изоляции токи Фуко размагничивают сердечник, из-за чего ВАХ такого ТТ приобретает линейный вид, как и в случае ВЗ.
Итак, значительным отличием поврежденного ТТ от неповрежденного является вид его тока намагничивания. Ток намагничивания поврежденного трансформатора является более синусоидальным, в то время как ток намагничивания неповрежденного трансформатора содержит большой процент нечетных гармоник. Именно этот факт положен в основу предлагаемого метода диагностики дефектов в ТТ.
Для анализа состояния ТТ предлагаемым методом из тока намагничивания, используя преобразование Фурье, необходимо выделить основную и третью гармоники. Указанные составляющие тока соответственно записываются в виде комплексных векторов 11,13, после чего определяется значение вектора 113, определяемого по формуле:
I е/Ф°3 I
113 = 33 /Ф =-гЫ1з) - ЗатвШ)), (1)
^е^1 11
где 11 и ф01 - соответственно модуль и начальная фаза первой гармоники тока намагничивания; 13 и ф03 - то же для третьей гармоники тока намагничивания.
Сравнение векторов первой и третей гармонических составляющих тока намагничивания возможно по той причине, что в формуле (1) учтена скорость вектора 13, для этого начальная фаза вектора тока основной гармоники 11 умножена на коэффициент, равный 3. Подобная формула была предложена в [17] для выполнения блокировки дифференциальной защиты трансформатора в режиме броска намагничивающего тока, однако она может быть использована в целях диагностики, так как позволяет учесть одновременно 2 параметра высших гармонических слагающих - их амплитуду и начальную фазу, что делает возможным проведение более глубокого анализа режима работы ТТ.
Назовем вектор 113 расчетным. Так как в предлагаемом методе значения амплитуды
и фазы расчетного вектора 113 анализируется отдельно, то вводится еще два параметра: 5113а и 5113р, эти параметры являются модулем и фазой расчетного вектора и равны соответственно:
5/13a = abs
S/,3 p = arg
—13неповр. — 13повр.
-13неповр.
— 13неповр. — 13повр. — 13неповр..
(2)
(3)
Минимальным диагностическим критерием метода ВАХ является отклонение снятой ВАХ от эталонной не менее, чем на 10%, поэтому целесообразно сравнить значения параметров 5113р и 5113а с параметром 5иВАХ для всех испытуемых ТТ и сформулировать диагностический критерий метода, основанного на гармоническом анализе тока намагничивания ТТ. При этом параметр 5иВАХ относительного отклонения ВАХ от эталонной находится по формуле:
5 U
ВЛХ\1НлМ =const
U ВЛХнеповр. U ВЛХповр.
U
(4)
ВЛХнеповр.
Схема испытаний изображена на рисунке 2. В качестве источника переменного напряжения в экспериментах используется программно-аппаратный испытательный комплекс РЕТОМ-61. Аналоговый вход устройства подключен к выводам низкоомного резистора R, что необходимо для регистрации формы тока намагничивания исследуемого ТТ. В качестве устройства измерения действующего значения тока намагничивания и напряжения, подведённого к зажимам ТТ, используется два типа мультиметров: Mastech M89OC+ и LINI UT5. Анализа данных, полученных в результате испытаний, осуществлен в программной среде MatLab.
Рис. 2. Схема испытаний ТТ
В исходных данных, полученных при испытаниях ТТ, содержатся как систематические, так и случайные погрешности. К систематическим погрешностям можно отнести погрешность измерений, то есть погрешности мультиметров. Измерения проведены при двух значениях предела измерения мультиметров: 20 мА и 200 мА; с погрешностями первого (Mastech M89OC+) и второго (LINI UT51) мультиметров ±(1,5%+3) и ±(1%+3), ±(1,8%+3) соответственно. Случайной погрешностью являются высокочастотные сигналы, наводимые в обмотках и магнитопроводе испытуемого ТТ. Случайная погрешность учитывается применением фильтра Баттерворта 2,3 порядка. Параметры фильтра подобраны таким образом, что не оказывают влияния на амплитуду и фазу исследуемых сигналов.
Результаты
При диагностике трансформаторов с наличием ВЗ непосредственно были протестированы: ТОЛ-10-1, ТШЛ-0,66-111, ТПОЛ-10, ТПЛ-10-М (произведены компанией «СЗТТ» в 2018-м году); с наличием повреждения магнитопровода: ТВЛМ-10, ТПЛ-10 (произведены в СССР в 1980 г). Особенность конструкции двух последних ТТ, а именно открытый доступ к магнитопроводу, позволила сымитировать повреждение сердечника путём его частичного разбора без нарушения литой изоляции обмоток.
Для каждого ТТ построена ВАХ без повреждений и серия характеристик с повреждениями. Для нескольких (чаще всего четырех) действующих значений тока
линейных и нелинейного участков каждой ВАХ зафиксированы мгновенные значения тока намагничивания ТТ.
Проанализируем, для начала, данные, полученные при имитации повреждений обмотки ТТ. Исследуемые ТТ имеют литую изоляцию, что затрудняет доступ к вторичной обмотке для непосредственного создания в ней ВЗ. С целью сохранения целостности конструкции ТТ для имитации повреждения выводы первичной обмотки замыкались через активное сопротивление, значение которого изменялось от опыта к опыту. Напряжение от стороннего источника, согласно методике испытаний, подавалось со стороны вторичной обмотки. При имитации ВЗ в ТТ типа ТШЛ-0,66-111 дополнительно появилась возможность увеличить число короткозамкнутых витков путём намотки необходимого их числа непосредственно на магнитопровод. Моделирование повреждения обмотки таким образом возможно по той причине, что при замыкании витков первичной обмотки в магнитопроводе создается поток от первичной обмотки, компенсирующий поток со стороны вторичной, что в результате позволяет нам получить характеристику ВАХ, приближенную к линейном виду.
На рисунке 3 а в качестве примера приведены осциллограммы тока намагничивания ТШЛ-0,66-111 без ВЗ, с одним и двумя замкнутыми витками, c одним витком, замкнутым через переходное сопротивление, не равное нулю. На рисунке 3 б на комплексной плоскости изображен расчетный вектор 113 для случаев разной степени повреждения при токе намагничивания 150 мА. Цвета расчетных векторов, изображенных на рисунке 3 б соответствуют осциллограммам тока намагничивания, изображенным на рисунке 3 а. Аналогичные цветовые обозначения векторов приняты в рамках всей статьи: синий цвет -нет повреждений, зеленый - наибольшая степень повреждения, красный - повреждение средней степени, фиолетовый - наименьшая степень повреждения.
На рисунке 3 б можно оценить, что фазы векторов ТТ с повреждением обмотки значительно отличаются от фазы вектора тока намагничивания неповрежденного ТТ. Гистограмма параметра 5Il3p для нескольких действующих значений тока намагничивания ВАХ трансформатора ТОЛ-10-I с различной степенью повреждения обмотки изображена на рисунке 4 б. При относительном расхождении ВАХ в 1-6 % (Рис.4 а), что соответствует точкам ВАХ поврежденного трансформатора при значениях действующего тока намагничивания 150, 200, 360 мА, параметр 5I13p принимает значения от 10 % до 55 %. При относительном расхождении ВАХ в 14% и 25 % соответственно для красного и зеленого графика ВАХ, параметр 5I13p принимает значения от 13 % до 28 %.
а) б)
Рис. 3. а) Осциллограммы тока намагничивания ТШЛ-0,66-Ш без КЗ витков (синий график), с одним КЗ витком и переходным сопротивлением (фиолетовый график), с одним КЗ витком (красный график) и двумя КЗ витками (зелёный график); б) Вектор 113 на комплексной плоскости для различных ВАХ при токе намагничивания 150 мА трансформатора ТШЛ-0,66-Ш
По гистограммам значений 5113а и 5иВАХ, изображенным на рисунке 5, делаем вывод о том, что относительное значение амплитуды расчётного вектора каждого испытуемого ТТ для всех исследуемых действующих значений тока намагничивания значительно превышает относительное значение отклонения ВАХ.
- Без повреждений
- КЗ одного витка
- КЗ двух витков X КЗ одного витка (Кн)
а) б)
Рис. 4. а) ВАХ ТШЛ-0,66-Ш без КЗ витков (синий график), с одним КЗ витком и переходным сопротивлением (фиолетовый график), с одним КЗ витком (красный график) и двумя КЗ витками (зелёный график); б) Гистограмма значений параметра 5//3 при различных значениях действующего
тока намагничивания ТШЛ-0,66-Ш
811:
а, %
100
.х, %
1
1
в 1
1 Г
150
200
1нам, мА
а)
500
8113 а, %
i
8ивах, %
1
1 1
1 1
100
157
260 1нам, мА б)
380
8т13 , %
ва %
Р т
50 175 200 400 1нам, мА
в)
10090 80 70 60 50 40 30 20 10 0
8Т1 3а, % 5Увах, %
100
150 200 1нам, мА
г)
360
Рис
. 5. Гистограммы значений параметров Ы^а (соответственно цветам ВАХ поврежденных ТТ) и 5иВАХ (заштрихованные столбцы) при различных значениях действующего тока намагничивания ТТ для: а) ТШЛ-0,66-Ш; б) ТПЛ-10-М; в) ТП0Л-10; г) Т0Л-10-1
Выявить повреждение гармоническим методом является возможным не только по относительному изменению амплитуды расчетного вектора, но и по относительному изменению его фазы 5/13р. На рисунке 6 изображены гистограммы значений 5/13р и 5иВАХ, из которых однозначно следует то, что относительное отклонение фазы расчетного вектора или примерно равно, или значительно превосходит значения относительных отклонений ВАХ.
8Т13Г , % 8иВ АХ, %
■
1 1 1 ■!
100 150 200 Тнам, мА
8Т 3р, % 8 Ивах, %
\
-
100 157 260 Тнам, мА б)
50 175 200 400 Тнам, мА
100 150 200 360 Тнам, мА
г)
а) б) в) г) Рис.
6. Гистограммы значений параметров Ы^р (соответственно цветам ВАХ поврежденных ТТ) и ЬиВАХ (заштрихованные столбцы) при различных значениях действующего тока намагничивания ТТ для: а) ТШЛ-0,66-Ш; б) ТПЛ-10-М; в) ТП0Л-10; г) Т0Л-10-Т 101
140
300
250
100
200
80
150
60
100
40
20
50
0
500
380
Проанализируем данные, полученные при моделировании повреждений магнитопровода ТТ. В случае моделирования повреждений магнитопровода были предусмотрены следующие действия: расслабление стяжек магнитопровода и разбор сердечника с извлечением пластин. Характер ВАХ испытуемых трансформаторов ТПЛ-10 и ТВЛМ-10 отличается от ВАХ трансформаторов с наличием ВЗ слабо выраженной нелинейной частью характеристики.
На рисунках 7 и 8 изображены гистограммы значений 5/13р и 5113а расчётного вектора в случае повреждения магнитопровода для трансформаторов ТПЛ-10 и ТВЛМ-10. При данном виде повреждения нельзя однозначно утверждать, что гармонический метод хотя бы не хуже метода ВАХ. Однако по гистограммам можно зафиксировать, что при наименьшем отклонении ВАХ метод, основанный на гармоническом анализе, является наиболее чувствительным. С учетом того факта, что для диагностики такого вида повреждений не существует большого количества методов, наличие метода, расширяющего зону чувствительности метода ВАХ в зоне не достижения его диагностического критерия, является особенно ценным.
45 40 35 30
25
20 15
10
Sl13p, % SUbax, % 25 SInp % SÜbaxj%
ёш j \
50
100 150
1нам, мА
а)
250
200 600 1000 1нам, мА
б)
Рис. 7. Гистограммы значений параметров 5//зр (соответственно цветам ВАХ поврежденных ТТ) и 5иВАХ (заштрихованные столбцы) при различных значениях действующего тока намагничивания ТТ
для: а) ТПЛ-10-М; б) ТВЛМ-10
5
0
35 30 25 20 15 10 5 0
50
100 150
1нам, мА
а)
250
35 30 25 20 15 10 5 0
200
600
1нам, мА б)
1000
Рис. 8. Гистограммы значений параметров 5/13 а (соответственно цветам ВАХ поврежденных ТТ) и ЬиВАХ (заштрихованные столбцы) при различных значениях действующего тока намагничивания ТТ
для: а) ТПЛ-10-М; б) ТВЛМ-10
Обсуждение
Анализируя данные, полученные при испытаниях ТТ, формулируем диагностический критерий гармонического метода для выявления повреждений в обмотке и магнитопроводе ТТ: если хотя бы одна из составляющих расчётного вектора /13 -относительное значение его фазы 5/13р или амплитуды 5/13а - хотя бы при одном из значений тока намагничивания отличается более чем на 10% от одноимённого параметра, рассчитанного по результатам предыдущих испытаний ТТ, делаем вывод о том, что в ТТ
102
существует повреждение. Указанное значение отклонения фазы или амплитуды расчётного вектора является минимальным, при котором можно судить о повреждении ТТ, при этом рекомендуется фиксировать положение вектора для нескольких значений тока намагничивания линейной и нелинейной части ВАХ. Рекомендация объясняется тем фактом, что взаимосвязь между величиной отклонения ВАХ поврежденного ТТ от эталонной и величиной отклонения фазы и амплитуды расчетного вектора для случая ВЗ является прямой, а для случая повреждения магнитопровода - обратной.
Необходимо отметить, что отклонения фазы и амплитуды при повреждениях в обмотках ТТ имеют более существенный характер и постоянный практически для всех значений действующего тока намагничивания одной и той же ВАХ. В то же время при повреждениях магнитопровода относительные отклонения фазы и амплитуды расчетного вектора превышают относительное отклонение ВАХ только в зоне недостижения диагностического критерия метода ВАХ. Предварительно именно эти аспекты можно считать факторами, позволяющими по гармоническому методу различить типы повреждений ТТ. Однако данное предположение требует большего количества экспериментальных данных.
Заключение
Альтернативный метод заключается в сравнении относительных величин фазы и амплитуды расчетного вектора, равного отношению основной и третей гармонических составляющих вектора тока намагничивания ТТ. Запись мгновенных значений тока, необходимых для осуществления гармонического анализа, рекомендуется проводить одновременно со снятием ВАХ. Мгновенные значения тока намагничивания необходимо снимать для нескольких точек линейной и нелинейной части ВАХ, при этом для подтверждения наличия повреждения достаточно зафиксировать отклонение фазы или амплитуды расчетного вектора хотя бы на 10% при одном или более значениях тока намагничивания. Гармонический анализ рекомендуется к применению совместно с другими методами выявления повреждений ТТ в качестве метода, чувствительного к повреждениям обмотки и малым повреждениям магнитопровода.
Литература
1. Саушев А.В., Шерстнев Д.А., Широков Н.В. Анализ методов диагностики аппаратов высокого напряжения // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2017. Т. 9. № 5. С. 1073-1085.
2. Сопьяник В.Х., Власов А.И., Глушонок Е.А. Выявление короткозамкнутых витков во вторичных обмотках трансформаторов тока методом цифрового осциллографирования токов, напряжений при снятии вольт-амперных характеристик // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2004. №11. С. 13-16.
3. Лагутин В.М., Тептя В.В., Нетребский В.В. Усовершенствование испытаний измерительных трансформаторов в условиях эксплуатации // Научные труды Винницкого национального технического университета. 2015. №2. С. 22-28.
4.Грабовсков С.Н. Диагностика измерительных трансформаторов тока // Электрические станции. 2002. №2. С. 58-60.
5. Брановицкий И.И., Скурту И.Т. Высокочувствительный метод диагностики витковых замыканий // Неразрушающий контроль и диагностика. 2013. №3. С. 8-16.
6. Аксенов Ю.П., Голубев А.В., Завидей В.И. Новые подходы к контролю технического состояния трансформаторов тока типа ТФРМ на рабочем напряжении. // Энергетик. 2004. №3. С.27-31.
7. Garcia-Colon V.R., Linan-Garcia R., Jacobo M.A. On-line Condition Assessment of High Voltage Current Transformers. // ISEI-2004, Indianapolis. 2004. РР. 182-185.
8. Ильина Е. Опыт диагностики электрооборудования методом ультрафиолетового контроля // Русский инженер. 2015. № 4. С. 16-18.
9. Bagheri M., Phung B.T. Frequency response and vibration analysis in transformer winding turn-to-turn fault recognition // International Conference on Smart Green Technology in Electrical and Information Systems: Advancing Smart and Green Technology to Build Smart Society, ICSG-TEIS 2016 Proceedings. 2017. РР. 10-15
10. Сапунков М.Л., Давыдов Н.В- заявитель и патентообладатель. Способ выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных трансформаторов. Пат. 2016147778 Рос. Федерация : МПК G01R 31/06 / Пермский национальный исследовательский политехнический университет. - № RU2645811C1; заявл. 2016. 12.06 ; опубл. 2018.02.28.
11 .Reddy A S., Vijaykumar M. Neural Network Modeling of Distribution Transformer with Internal Windings Faults using Double Fourier Series // International Journal Of Computer Science And Applications.
© И.И. Литвинов, О.В. Танфильев, А.А. Марченко, Д.В. Корнилович, В.А. Титов 2008. V. 3. РР. 160-163.
12.Mohammadpour1 H., Dashti R. Localization of Short Circuit Faults in Transformers Using Harmonic Analysis and Pattern Recognition // The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, 2011. РР. 1412-1417.
13. Ндайизейе М., Ильдарханов Р.Г., Усачев А.Е., Ильдарханов Г.Г. Диагностика состояния обмоток измерительного трансформатора напряжения типа НКФ-110 // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2015. № 3 (27). С. 94-109.
14. Мустафин Р.Г. Дифференциальный способ обнаружения витковых замыканий в трехфазном трансформаторе // Патент на изобретение RU 2714532 C1. - 18.02.2020. Заявка № 2019114855 от 14.05.2019.
15.. Ballal M.S, Suryawanshi H.M., Mishra M.K. Interturn Faults Detection of Transformers by Diagnosis of Neutral Current. // IEEE Transactions on Power Delivery. 2016. V. 31. PP. 1096-1105.
16. Джебрил М.Р., Лопухова Т.В., Ислентьев И.С. О создании диагностической модели силового трансформатора // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2015. № 7-8.С. 18-25.
17. Krupinski R., Kornatowski E. The Use of Generalized Gaussian Distribution in Vibroacoustic Detection of Power TransformerCore Damage // Energies. 2020. V. 13. PP. 1-14.
18. S.Ji, Y.Luo, Y.Li. Research on extraction technique of transformer core fundamental frequency vibrationbased on OLCM. // IEEE Transactions on Power Delivery. 2006. V. 21. PP. 1981-1988.
19. Козлов В.К., Муратаев И.А., Муратаева Г.А. Определение диагностических параметров трансформатора в режиме искусственного намагничивания // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2008. № 9-10. С. 52-58.
20. Каштенни Б., Севов Л. Усовершенствованный алгоритм отстройки от бросков тока намагничивания // Релейщик №1. Москва, 2009.
Авторы публикации
Литвинов Илья Игоревич - канд. техн. наук, доцент кафедры Электрических станций Новосибирский государственный технический университет.
Танфильев Олег Вадимович - канд. техн. наук, доцент кафедры Электрических станций, Новосибирский государственный технический университет.
Марченко Александра Александровна - студент 1-го года магистратуры, Новосибирский государственный технический университет.
Корнилович Денис Викторович - студент 1 -го года магистратуры, Новосибирский государственный технический университет.
Титов Василий Андреевич - студент 2-го года магистратуры, Новосибирский государственный технический университет.
References
1. Saushev AV, Sherstnev DA, Shirokov NV. Analysis of diagnostic methods for high-voltage devices. Bulletin of the State Sea and River Fleet named after Admiral S. O. Makarov.2017;9(5):1073-1085.
2. Sopianik VH, Vlasov AI, Glushonok EA. Detection of short-circuited turns in the secondary windings of current transformers by digital oscillography of currents, voltages when taking current-voltage characteristics. Energy. News of higher educational institutions and energy associations of the CIS, 2004;11:13-16.
3. Lagutin VM, Teptya VV, Netrebsky VV. Improving field testing of instrument transformers. Scientific works of Vinnitsa National Technical University. 2015; 2:22-28.
4. Grabovskov SN. Diagnostics of measuring current transformers. Power stations, 2002;2:58-60.
5. Branovitsky II, Skurtu IT. Highly sensitive method for diagnostics of turn circuits. Non-destructive testing and diagnostics. 2013;3(8)-16.
6. Aksenov YP, Golubev AV, Zavidei VI. New approaches to monitoring the technical condition of current transformers of the type TFRM at operating voltage. Energetics. 2004; 3:27-31.
7. Garcia-Colon VR, Linan-Garcia R. Jacobo M.A. On-line Condition Assessment of High Voltage Current Transformers. ISEI-2004, Indianapolis, 2004. рр. 182-185.
8. Ilyina E. Experience of diagnostics of electrical equipment using the ultraviolet control method. Russian engineer. 2015; 4:16-18.
9. Bagheri M, Phung B.T. Frequency response and vibration analysis in transformer winding turn-to-turn fault recognition.International Conference on Smart Green Technology in Electrical and Information Systems: Advancing Smart and Green Technology to Build Smart Society, ICSG-TEIS 2016 - Proceedings. 2017. PP. 10-15
10. Sapunkov NL, Davydov NV. Method of detecting turn short circuits in windings of three-phase transformers. Patent RF, no. RU2645811C1, 2018.
11 .Reddy AS, Vijaykumar M. Neural Network Modeling of Distribution Transformer with Internal Windings Faults using Double Fourier Series. International Journal Of Computer Science And Applications. 2008; 3:160-163.
12. Mohammadpour H, Dashti R Localization of Short Circuit Faults in Transformers Using Harmonic Analysis and Pattern Recognition. The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, 2011. pp. 1412-1417.
13. Ndayizeye Martin, Ildarkhanov RG, Usachev AE, et al. Condition's diagnosis of winding voltage transformer type NKF-110. Kazan State Power Engineering University Bulletin. 2015;3(27):94-109.
14. Mustafin RG. Differential method of detecting coil short circuits in a three-phase transformer. Patent for an invention RU 2714532 C1. 18.02.2020. № 2019114855 (14.05.2019).
15. Ballal MS, Suryawanshi HM, Mishra MK. Interturn Faults Detection of Transformers by Diagnosis of Neutral Current. IEEE Transactions on Power Delivery. 2016; 31:1096-1105.
16. Jebril MR, Lopuhova TV, Islentiev IS. About the development of the diagnostic model for power transformers. Proceedings of higher educational institutions. Energy sector problems. 2015;7-8:18-25.
17. Krupinski R, Kornatowski E. The Use of Generalized Gaussian Distribution in Vibroacoustic Detection of Power TransformerCore Damage. Energies, 2020;13:1-14.
18. S.Ji, Y.Luo, Y.Li. Research on extraction technique of transformer core fundamental frequency vibrationbased on OLCM.IEEE Transactions on Power Delivery. 2006; 21:1981-1988.
19. Kozlov VK, Mourataev IA, Mourataeva GA. Diagnostic parameters of power transformer detecting in force magnetizing mode. Proceedings of higher educational institutions. Energy sector problems. 2008;9-10:52-58.
20. Kashtenni B, Sevov L. Improved algorithm for detuning from inrush current of magnetizing. Relay switch №1. Moscow, 2009.
Authors of the publication Ilya I. Litvinov - Novosibirck State Technical University, Novosibirsk, Russia. Oleg V. Tanfilev - Novosibirck State Technical University, Novosibirsk, Russia. Alexandra A. Marchenko - Novosibirck State Technical University, Novosibirsk, Russia. Denis V. Kornilovich - Novosibirck State Technical University, Novosibirsk, Russia. Vasiliy A. Titov - Novosibirck State Technical University, Novosibirsk, Russia.
Получено Отредакт ировано Принято
12 ноября 2020 г. 09 декабря 2020 г. 09 декабря 2020 г.
