Система мониторинга и диагностирования (смид) высоковольтного электрооборудования на основе анализа статистических параметров частичных разрядов

Гатауллин Айрат Мухамедович; Матухин Вадим Леонидович; Наумов Борис Александрович

УДК 621.317.75

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ (СМИД) ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

А.М. ГАТАУЛЛИН, В.Л. МАТУХИН, Б.А. НАУМОВ Казанский государственный энергетический университет

В статье кратко перечислены основные аспекты диагностики состояния высоковольтного электрооборудования, приведен краткий обзор возможностей и путей совершенствования систем мониторинга высоковольтного электрооборудования. Для непрерывной регистрации и анализа статистических параметров частичных разрядов мы предлагаем к рассмотрению лабораторный образец системы мониторинга и диагностирования (СМИД) на базе оборудования National Instruments CompactRio (NI CompactRio) и системы графического программирования LabView. СМИД можно применить для диагностики состояния различного высоковольтного оборудования: реакторов (управляемых и неуправляемых), трансформаторов, автотрансформаторов. В первую очередь СМИД может быть задействована на высоковольтных трансформаторах напряжением от 110 кВ.

Ключевые слова: система мониторинга высоковольтного электрооборудования

Введение

Одной из серьезных проблем в электроэнергетике является проблема износа силового электротехнического и энергетического оборудования. По некоторым оценкам экспертов к 2013 г. доля оборудования, подлежащего замене, приблизится к 60-80 %. Например, парк мощного трансформаторного оборудования (напряжением 110 кВ и выше) энергосистем имеет большую долю оборудования, отработавшего установленный стандартами минимальный срок службы. Очевидно, что продление срока службы до 30-40 лет возможно при условии грамотного обслуживания, наблюдения за состоянием трансформаторов и своевременного устранения развивающихся дефектов. В настоящее время в основе технического обслуживания и ремонта высоковольтного электрооборудования применяются, в основном, две стратегии: аварийно-восстановительные работы (АВР) и планово-предупредительные работы (ППР). Сроки ППР связаны с остаточным ресурсом высоковольтного электрооборудования, производятся в соответствии с заранее составленным графиком, который определяется только временем его эксплуатации, поэтому ППР с большой долей вероятности носят явно выраженный затратный характер. Достоинством ППР является простота планирования, в частности, простота планирования затрат. Однако основной недостаток ППР перевешивает все его достоинства, он заключается в проведении ремонтов фактически исправного оборудования, а также принудительной замене деталей независимо от их остаточного ресурса (в сложном оборудовании разница ресурсов отдельных деталей может достигать сотен процентов). Все это приводит к неоправданному росту эксплуатационных затрат. Альтернативой ППР

является проведение ремонта по фактическому состоянию. В этом случае обслуживание и ремонт производятся в оптимальные сроки за счет определения текущего состояния оборудования (по совокупности характеристик) и его остаточного ресурса в рабочем состоянии (без остановки производства). Основными инструментами определения текущего состояния высоковольтного электрооборудования в реальном режиме времени являются системы мониторинга. Системы мониторинга осуществляют контроль режимов работы, позволяют своевременно принимать необходимые меры в предаварийных ситуациях, анализировать и прогнозировать техническое состояние, а также планировать объемы и сроки технического обслуживания оборудования.

Краткий обзор возможностей и путей совершенствования существующих систем мониторинга высоковольтного электрооборудования

Системы мониторинга отличаются количеством контролируемых параметров. При этом наиболее важными являются следующие эксплуатационные параметры высоковольтного электрооборудования: влагосодержание в масле, газосодержание в масле (СО, СО2), статистические параметры частичных разрядов в высоковольтных вводах [1], тангенс угла потерь tg5 [2], емкость основной изоляции, разбаланс токов проводимости трехфазной системы вводов [3], напряжения и токи, параметры работы системы охлаждения, температура масла в различных точках, давление масла в маслонаполненных вводах [4]. Системы мониторинга оснащены автоматизированным рабочим местом (АРМ), включающим диагностическое программное обеспечение, и одним или несколькими блоками мониторинга (БМ). Каждый БМ снабжен датчиками для регистрации эксплуатационных параметров высоковольтного электрооборудования из вышеперечисленного списка.

Мы считаем, что существуют следующие способы усовершенствования существующих систем мониторинга высоковольтного электрооборудования:

1) возможность размещения в одном блоке мониторинга одновременно нескольких плат сбора данных и датчиков различного назначения в зависимости от производственных потребностей. Состав плат сбора данных и датчиков, благодаря такому модульному размещению, можно будет менять в зависимости от текущих производственных задач;

2) возможность надежно модернизировать программное обеспечение СМИД, в том числе базы данных, графическое представление данных, результаты расчетов, способы передачи диагностируемых данных и т. д., специалистами без специального образования.

Очевидно, что реализация вышеперечисленных возможностей позволит создать гибкую модульную систему мониторинга состояния высоковольтного электрооборудования, легко перестраиваемую в зависимости от поставленных производственных задач без излишних неоправданных затрат. Для реализации СМИД, на наш взгляд, подходит оборудование NI CompactRIO - ПЛИС система, работающая в реальном режиме времени, производства National Instruments. ПЛИС - интегральная схема программируемой логики. Особенностью NI CompactRIO является возможность ее эксплуатации в промышленных условиях в реальном режиме времени при любых погодных условиях, относительно высокая частота оцифровки аналоговых сигналов и высокая скорость передачи сигналов на АРМ. NI CompactRIO программируется с помощью системы графического программного обеспечения LabView, которое не требует специальной углубленной подготовки в области программирования.

20

Краткое описание возможностей NI CompactRIO и NI Lab View для реализации СМИД

NI CompactRIO - это программируемый контроллер автоматизации, предназначенный для создания полнофункциональных прототипов и внедрения готовых контрольно -измерительных систем. NI CompactRIO представляет собой многофункциональную встраиваемую систему сбора данных и управления, разработанную для задач, требующих высокой производительности и надёжности измерительных и управляющих систем. Благодаря открытой архитектуре, компактным размерам, механической прочности NI CompactRIO можно использовать для решения самых сложных технических задач. NI CompactRIO - встраиваемая контрольно-измерительная система, основой которой является технология реконфигурируемого ввода/вывода. Эти возможности делают NI CompactRIO подходящим для разработки СМИД. Платформа NI CompactRIO состоит из шасси со встроенной ПЛИС, контроллера реального времени и модулей ввода/вывода. NI CompactRIO может применяться в качестве единой платформы для разработка и моделирования СМИД в лабораторных условиях и внедрения СМИД на действующем высоковольтном оборудовании. Такая гибкость NI CompactRIO обусловлена тесной интеграцией аппаратной части и средой графической разработки Lab View. С помощью Lab View можно провести весь цикл разработки проекта на NI CompactRIO, используя при необходимости специализированные программные модули и библиотеки, такие как LabView Real-Time, а также легко создать удобный пользовательский интерфейс для АРМ. Гибкость СМИД, проектируемого с помощью NI CompactRIO, будет обеспечена встраиваемым шасси NI CompactRIO (рис. 1). Ядро шасси - это ПЛИС для реконфигурируемого ввода/вывода сигналов. Каждый модуль ввода/вывода имеет прямой доступ к каналам ПЛИС и программируется с использованием простых функций ввода/вывода. Ввод/вывод сигналов с каждого модуля точно синхронизирован (с погрешностью 25 нс) за счет прямого подключения модулей к сигнальным линиям ПЛИС. Интерфейсом между ПЛИС и контроллером реального времени служит шина PCI. Контроллер реального времени синхронизирует работу модулей ввода/вывода с погрешностью 25 нс.

Рис. 1. Блок-схема встраиваемого шасси N1 СошрасЖЮ

Встроенная ПЛИС позволяет реконфигурировать встраиваемые приложения и параллельно обрабатывать данные на частоте от 40 МГц. N1 предлагает более 100 модулей ввода/вывода, с помощью которых возможны: измерения температуры, тензоизмерения, измерения вибрации, аналоговый и цифровой ввод/вывод, управление приводами, реализация промышленных протоколов передачи данных, ввод/ вывод по напряжению и току. Предусмотрено подключение любых датчиков к разработанным модулям и создание собственных модулей на базе готового набора разработчика. С помощью среды графического программирования LabView и библиотеки функций © Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

21

Lab View Real-Time легко, без специальной программисткой подготовки реализуется графический интерфейс пользователя АРМ, в том числе с использованием сенсорных панелей. Библиотека функций LabView Real-Time предназначена для программирования контроллеров реального времени NI CompactRIO в LabView. В LabView можно назначить приоритеты выполнения кода контроллерами реального времени NI CompactRIO. Библиотека функций Lab View FPGA предназначена для программирования ПЛИС NI CompactRIO в LabView. В LabView имеется возможность создания удобного локального и WEB интерфейса для управления NI CompactRIO из любой точки мира. Имеются необходимые библиотеки для обеспечения работы датчиков любого типа. National Instruments предлагает панельные компьютеры NI TPC - 2106/ 2012/ 2115/ 2512/ 2515 для удаленного управления платформами CompactRIO при помощи человеко-машиного (HMI) интерфейса, запуска приложений под управлением LabVIEW Real-Time в промышленных распределенных системах, которые для пользователя представляют из себя сенсорную панель со множеством элементов управления АРМ, способную постоянно функционировать в жестких промышленных условиях.

Основные результаты лабораторных испытаний СМИД

Большое внимание в СМИД уделено обработке сигналов частичных разрядов (ЧР), для этого объектами исследований были выбраны система плоскость-игла (диаметр иглы 20 мкм) и система плоскость-игла (диаметр иглы 0,5 мм). С помощью первой системы моделировали сигналы ЧР, с помощью второй системы - сигналы короны. Высокое напряжение создавалось с помощью аппарата испытания диэлектриков АИД-70, расстояние от поверхности до иглы составляло 10 мм, высокое постоянное и переменное напряжение варьировалось от 3 до 14 кВ. Для контроля электрических сигналов с датчиков применялся осциллограф Tektronix TDS-1020.

Разработкатка СМИД производилась на базе имеющегося оборудования компании National Instruments (NI): шасси NI cDAQ-9172, NI cRIO-9075 и модулей С-серии. В том числе для оцифровки данных с термопары применялся специализированный модуль NI-9211, для оцифровки сигналов частичных разрядов -модуль NI-9205 (разрешение 16 бит, аналоговый ввод-вывод, ±200 мВ, входное сопротивление >10 ГОм и емкость 100 пФ во включенном состоянии относительно земли), для калибровки датчиков и оцифровки импульсных сигналов -высокоскоростной модуль ввода-вывода цифровых сигналов длительностью от 55 нс. Для калибровки датчика ЧР СМИД был применен прибор R-400 со стандартным набором датчиков, в том числе RECT- 6. Прибор R-400 предназначается для диагностики и мониторинга изоляторов высоковольтного электрооборудования методом частичных разрядов, имеет внутреннюю память. Датчик частичных разрядов RECT-6 представляет собой импульсный трансформатор и разработан для регистрации коротких импульсных сигналов без искажения. Нами с помощью осциллографа Tektronix TDS 1020 были зарегистрированы сигналы ЧР и сигналы короны с выхода датчика RECT-6 при постоянном и переменном напряжении, в различных ситуациях, в том числе в предпробойной. Для большинства сигналов ЧР характерна форма линии, показанная на рис. 2. Форма сигнала представляет собой огибающую множества сигналов ЧР. Полоса пропускания осциллографа Tektronix TDS 1020 позволяет регистрировать импульсы ЧР длительностью от нескольких наносекунд. По этой причине мы на экране осциллографа наблюдаем пики импульсных сигналов, фронт которых порядка наносекунды. На самом деле импульс ЧР короче, форма сигнала ЧР искажена. Относительно высокая амплитуда сигналов ЧР порядка нескольких вольт

22

связана с тем, что мы непосредственно принимаем сигнал с датчика. Кроме того наблюдается так называемый «звон», или реакция на импульсный сигнал. Обе эти особенности датчика ЯЕСТ-6 учтены в приборе Я- 400, поэтому мы используем Я- 400 как эталонный прибор при разработке системы обработки сигналов ЧР в СМИД.

CHI SOOV

СН2 SOOmV

М ПГПгк

И-Ар[-1г 12:15

TDS 1D12B- 12:07:47 14.04.2012

сиг у 330WV

<10Нг

Датчик RECT-6 нельзя непосредственно использовать вместе с модулями NI ввиду ограничения по полосе пропускания сигнала. Поэтому для оцифровки сигналов ЧР мы использовали свой датчик — RC контур c постоянной времени 14 мкс, подсоединили его к модулю NI-9205 с входным сопротивлением более 10 ГОм. Подобный способ оцифровки коротких импульсных сигналов с применением АЦП с относительно невысокой частотой дискретизации известен и успешно практикуется [5]. Модуль NI-9205 и другие модули NI присоединяются стандартным образом к шасси NI cDAQ-9172 в лабораторных условиях или к шасси NI cRIO-9075 в условиях промышленной эксплуатации. Разработанное нами в NI Lab View программное обеспечение позволяет обрабатывать сигналы с датчиков. В частности нами получены осциллограммы сигналов ЧР в ситуациях далекой от пробойной (рис. 3) и в предпробойной (рис. 4). Время нарастания фронта сигнала порядка мкс, что объясняется относительно небольшой частотой оцифровки сигнала (250 кГц). Фактически во всех случаях (рис. 2, 3, 4) мы наблюдаем и записываем в постоянную память прибора, или персонального компьютера массив данных случайных сигналов, как по интервалам следования, так и по амплитуде, обусловленных ЧР. Массив данных обрабатывается для получения амплитудно-фазовых диаграмм (АФД), с помощью которых отделяют сигналы короны от сигналов ЧР, а статистические характеристики сигналов ЧР служат для принятия решения относительно состояния изоляционного промежутка [6].

Рис. 3. 11 кВ, постоянное напряжение. Сигнал получен с помощью ЯС цепочкой (постоянная времени 14 мкс). Ситуация далекая от предпробойной

23

Рис. 4. 14 кВ, постоянное напряжение. Сигнал получен с помощью ЯС цепочкой (постоянная времени 14 мкс). Ситуация, близкая к предпробойной

С помощью системы поверхность - игла (диаметр иглы 0,5 мм) смоделированы и представлены в виде АФД сигналы короны при переменном действующем напряжении (рис. 5).

0 » 60 90 120 150 190 210 «0 Ш 330 330 380

Рис. 5. Зависимость амплитуды сигналов короны в нКл от фазы действующего напряжения в градусах, полученные с помощью системы поверхность - игла (диаметр иглы 0,5 мм)

С помощью системы поверхность - игла (диаметр иглы 20 мкм) смоделированы и представлены в виде АФД сигналы ЧР короны при переменном действующем напряжении (рис. 6).

Привязка к фазе действующего напряжения осуществлялась с помощью специального ссылочного датчика.

Сигналы короны, встречающиеся в основном на пиках действующего напряжения, существенно больше по амплитуде по сравнению с сигналами ЧР.

Обработка сигналов от других датчиков (термопара и т.д.) не рассматривается ввиду тривиальности вопроса и ограничений по объему статьи.

24

Для применения СМИД в условиях промышленной эксплуатации предварительно опробовано шасси № cRIO-9075, с которой модули № С-серии полностью совместимы.

о.э о.и 0.7 О.б 0.5 О.Л 0.3

о.з

I"0'1

-а?

-0.4

o.s

-O.G

-O.V

-о.®

-о.э -1

О 4S ЭО 136 160 226 2?0 31 S 360

Рис. 6. Зависимость амплитуды сигналов ЧР в нКл от фазы действующего напряжения в градусах, полученные с помощью системы поверхность — игла (диаметр иглы 20 мм)

Вывод

СМИД на базе оборудования NI CompactRio и среды графического программирования LabView может эффективно решать задачи мониторинга состояния высоковольтного электрооборудования по параметрам частичных разрядов, в том числе предаварийных и аварийных режимов. СМИД на базе оборудования NI CompactRio состоит из ряда модулей и шасси, поэтому легко перестраивается в зависимости от поставленных задач и может быть использовано на различном высоковольтном оборудовании: реакторах (управляемых и неуправляемых), трансформаторах, автотрансформаторах, в первую очередь СМИД может быть задействована на высоковольтных трансформаторах напряжением от 110 кВ.

Summary

The article briefly lists the main aspects of the high electrical diagnostics and the ways to improve the monitoring of high-voltage electrical equipment. For continuous recording and analysis of the statistical parameters of PD, we propose the laboratory system of the monitoring and diagnosis (SMAD) based on the equipment of the National Instruments CompactRio (NI CompactRio) and graphical programming system LabView. The SMAD can be used for diagnostics of various high voltage equipment: reactors (managed and unmanaged), transformers, autotransformers.

Keywords: the monitoring system of high-voltage electrical equipment.

Литература

1. Овсянников А.Г., Лазарев Е.А., Живодерников С.В. Система контроля изоляции высоковольтных вводов под рабочим напряжением / В сб. «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования». С. Пб, 2000.

25

2. Локшин М.В., Сви П.М. Измерение диэлектрических потерь высоковольтной изоляции. М: Энергия, 1973.

3. Лахман М.Ф., Вальтер В, Гугенберг П.А. Онлайн диагностика высоковольтных вводов трансформаторов тока с использованием метода суммарного тока // IEEE трансакции поставки электроэнергии, том 15. Январь 2000.

4. Соколов В.В., Ванин Б.В. Оценка и идентификация типичных дефектов и модель отказов вводов 110-750 кВ / Материалы 64-ой ежегодной конференции клиентов Doble. 1997. Стр.3-31.

5. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования.Н.: Наука, 2007.156 с.

Поступила в редакцию 12 марта 2013 г

Гатауллин Айрат Мухамедович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Инженерная кибернетика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (952) 0362154. E-mail: [email protected].

Матухин Вадим Леонидович - д-р физ-мат. наук, зав. кафедрой физики Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Наумов Борис Александрович - аспирант кафедры физики Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

26

The monitoring and diagnosis system (smad) of high-voltage equipment based on analysis of statistical parameters of the partial discharges