CC BY
13
© И.В. Брякин, И.В. Бочкарев УДК 620.1: 621.315.615.2
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ПО СОСТОЯНИЮ МАСЛА
И.В. Брякин 1, И.В. Бочкарев 2
1Институт машиноведения и автоматики Национальной Академии Наук Кыргызской Республики 2Кыргызский государственный технический университет им. И. Раззакова
Резюме: ЦЕЛЬ. Целью исследования является разработка нового способа диагностики качества масла, позволяющего осуществлять мониторинг технического состояния силового трансформатора непосредственно во время его работы. МЕТОДЫ. В трансформаторе наряду с существующим низкочастотным рабочим силовым электрическим контуром создается дополнительный высокочастотный измерительный электрический контур, использующий в качестве измерительной конденсаторной ячейки конструктивную паразитную электрическую емкость между первым внутренним рядом обмотки низкого напряжения и поверхностью магнитопровода. При этом в качестве носителя информационного сигнала используется высокочастотное низковольтное напряжение. Теоретическое обоснование способа выполнено с использованием методологии описания процессов, происходящих в диэлектриках в переменном электрическом поле. РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложен новый способ контроля состава находящейся в баке силового трансформатора сложной гетерогенной жидкостной смеси, состоящей из трансформаторного масла, технической воды и воздуха. На основе составленной электрической схемы замещения измерительного контура проведен анализ и математическое описание физических процессов, протекающих в процессе контроля. Получены алгоритмы определения текущих значений объемных сопротивлений каждой из составляющих указанной смеси. Оценка состояния масла осуществляется путем сравнения указанных параметров с соответствующими эталонными допустимыми значениями. Предложен вариант структурной блок-схемы реализации разработанного способа контроля. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Непрерывный контроль параметров масла в процессе эксплуатации трансформатора позволяет диагностировать возникновение в нем деструктивных процессов на их начальной стадии и, тем самым, своевременно организовать мероприятия по их устранению или замене масла в баке трансформатора. Предложенный способ контроля масла может быть использован не только для диагностики трансформаторов, но и для другого энергетического маслозаполненного оборудования, например, для реакторов.
Ключевые слова: силовой маслонаполненный трансформатор; старение масла; высокочастотный измерительный электрический контур; комплексное сопротивление обмотки; паразитная емкость; комплексная диэлектрическая проницаемость; измерительный двухэлектродный цилиндрический конденсатор; объемное сопротивление трансформаторного масла и технической воды.
Для цитирования: Брякин И.В., Бочкарев И.В. Система мониторинга технического состояния силового трансформатора по состоянию масла // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №1 (53). С. 34-46.
CONDITION MONITORING SYSTEM POWER TRANSFORMER BY OIL CONDITION
IV. Bryakin 1, IV. Bochkarev2
institute of Automation and Information Technologies of the National Academy of Sciences
of the Kyrgyz Republic 2Kyrgyz State Technical University named after I. Razzakova
Abstract: THE PURPOSE. The aim of the study is to develop a new method for diagnosing oil quality, which allows monitoring the technical condition of a power transformer directly during its
operation. The purpose of the study is to develop a new method for diagnosing the quality of oil, which allows you to build a monitoring system for the technical condition of a power transformer. METHODS. In the transformer, along with the existing low-frequency working power electric circuit, an additional high-frequency measuring electric circuit is created, which uses a constructive parasitic electric capacitance between the first inner row of the low-voltage winding and the surface of the magnetic circuit as a measuring capacitor cell. In this case, a high-frequency low-voltage voltage is used as the carrier of the information signal. The theoretical substantiation of the method is carried out using the methodology for describing the processes occurring in dielectrics in an alternating electric field. RESULTS. A new method is proposed for monitoring the composition of a complex heterogeneous liquid mixture in a power transformer tank, consisting of transformer oil, technical water and air. On the basis of the electrical equivalent circuit of the measuring circuit, an analysis and mathematical description of the physical processes occurring in the control process were carried out. Algorithms for determining the current values of the volume resistances of each of the components of the specified mixture are obtained. The assessment of the condition of the oil is carried out by comparing the specified parameters with the corresponding reference allowable values. A variant of the block diagram of the implementation of the developed control method is proposed. CONCLUSION. Continuous monitoring of oil parameters during the operation of the transformer makes it possible to diagnose the occurrence of destructive processes in it at their initial stage and, thereby, timely organize measures to eliminate them or replace the oil in the transformer tank. The proposed oil control method can be used not only for transformer diagnostics, but also for other oil-filled power equipment, for example, for reactors.
Keywords: power oil-filled transformer; oil aging; high-frequency measuring electrical circuit; complex winding resistance; parasitic capacitance; complex permittivity; measuring two-electrode cylindrical capacitor; volume resistance of transformer oil and technical water.
For citation: Bryakin IV, Bochkarev IV. Condition monitoring system power transformer by oil condition. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;l(53):34-46.
Введение и литературный обзор
В настоящее время в системах электроснабжения используется большое количество силовых трансформаторов, которые являются основными компонентами энергетических систем и используются для увеличения или снижения электрического напряжения [1]. Несмотря на то, что силовые трансформаторы в своем большинстве обладают достаточно высокой надежностью, в процессе эксплуатации наблюдаются нарушения их работы в виде отказов, что является нежелательными и неприемлемыми явлениями для энергосистемы. Кроме того, подобные отказы могут привести к существенным финансовым затратам, обострению вопросов безопасности и неожиданному прекращению подачи электроэнергии потребителям. Поэтому силовые трансформаторы, которые в значительной степени определяют надежность всей энергосистемы в целом и имеют при этом самую высокую стоимость среди всего оборудования электросети, требуют повышенного внимания в плане диагностирования и выявления дефектов на ранних стадиях их зарождения. Очевидно, что в этом случае затраты на диагностику будут намного меньше затрат на ремонт этого оборудования, особенно в случае возникновения аварий.
Таким образом, выявление предпосылок к возникновению аварий является важной и актуальной задачей. Диагностирование силовых трансформаторов и режимов их работы позволит не только сократить средства на ремонт, но и избежать многих технологических инцидентов [2-6]. При этом основным вопросом, на который должна ответить диагностическая система, является возможность или невозможность дальнейшей безопасной эксплуатации оборудования.
Большая часть силовых трансформаторов для повышения эффективности работы выполняются маслонаполненными. Масло при этом выполняет функции дугогасительной, охлаждающей и изолирующей среды [7]. Очевидно, что уровень надежности и долговечности таких трансформаторов однозначно зависит от состояния масла, электрофизические показатели которого в процессе работы ухудшается за счет увлажнения и термоокислительного старения, поскольку при работе трансформатора масло постоянно находится под воздействием электрических, магнитных и тепловых нагрузок [8-12].
Следовательно, требуется постоянная оперативная диагностика масла для снижения вероятности выхода трансформаторов из строя с последующим аварийным отключением электропитания, т.е. необходимы мероприятия по своевременному контролю качества масла непосредственно в эксплуатационных режимах.
Наиболее информативными и часто применяемыми методами диагностики развивающихся повреждений на ранней стадии в настоящее время являются: 1 -регистрация частичных разрядов (ЧР) в бумажно-масляной изоляции; 2 - физико-химический анализ изоляционных жидкостей и газов. Очевидно, что, как и разряды в газовых включениях трансформаторного масла, так и ЧР в нем будут приводить к разложению самого масла с соответствующим выделением газовых продуктов его распада. Фактически о степени износа электрооборудования при его эксплуатации можно судить по интенсивности ЧР, а по концентрации газов и скорости ее нарастания можно оценивать степень развития различных дефектов [13-16]. Наряду с указанными традиционными методами, существуют и другие современные способы контроля трансформаторных масел: физико-химическая диагностика, жидкостная и газовая хроматография, тепловизионный контроль (инфракрасная термография), оптические методы (видимая ультрафиолетовая спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса), термический анализ и др. [17-23]. Анализ известных способов контроля старения трансформаторного масла показал, что каждый из них имеет определенные недостатки, основные из которых следующие: необходимость использования дополнительного сложного оборудования; длительность проведения анализа; применение специальных химических составов; возможность проведения контроля только в лабораторных условиях и др.
Таким образом, несмотря на достаточно большое количество различных систем контроля, актуальное значение имеет усовершенствование существующих и разработка новых способов диагностики качества масла силовых трансформаторов.
Научная значимость выполненных авторами исследований состоит в разработке принципиально нового способа мониторинга технического состояния силового трансформатора по состоянию масла и его теоретическом обосновании.
Практическая значимость данного способа заключается в обеспечении возможности осуществления контроля текущего состояния трансформатора на месте его установки, под рабочим напряжением в процессе текущей эксплуатации.
Результаты
Известно, что качество трансформаторного масла в значительной степени определяется содержанием в нем воды, поэтому именно эта информация наиболее актуальна при диагностики технического состояния трансформатора. Для решения указанной задачи предлагается новый метод диагностики, лежащий в основе функционирования системы мониторинга технического состояния силового трансформатора.
В качестве объекта диагностики рассмотрим типовой маслонаполненный трансформатор, конструктивно состоящий из следующих основных элементов (рис. 1): 1 -бак силового трансформатора; 2 - трансформаторное масло; 3 - магнитопровод; 4 - обмотка высокого напряжения (ВН); 5 - обмотка низкого напряжения (НН); 6 - вывод обмотки ВН; 7 - вывод обмотки НН.
7 6
А
Рис. 1. Конструктивная схема силового Fig. 1. Structural diagram of a power oil-filled
маслонаполненного трансформатора transformer
Анализ конструктивных особенностей маслонаполненного трансформатора выявил возможность реализации нового подхода в организации контроля состояния газожидкостного компонента самого трансформатора, которое опосредовано, характеризует физические деградационные процессы этого компонента.
Суть предлагаемого технического решения состоит в том, что наряду с существующим низкочастотным рабочим силовым электрическим контуром создается дополнительный высокочастотный измерительный электрический контур, использующий в качестве измерительной конденсаторной ячейки (ИКЯ) конструктивную паразитную электрическую емкость. При этом в качестве носителя информационного сигнала применяется высокочастотное низковольтное напряжение.
Для исключения влияния друг на друга низкочастотных высоковольтных и высокочастотных низковольтных электрических цепей возбуждение зондирующего высокочастотного низковольтного напряжения организуется посредством специального конденсатора связи, а выход на силовой фидер, в свою очередь, осуществляется через соответствующий низкочастотный дроссель.
Блок-схема предлагаемого варианта системы контроля параметров компонентов силового трансформатора представлена на рис. 2.
Рис. 2. Обобщенная блок-схема системы Fig. 2. Generalized block diagram of the system for контроля параметров компонентов силового monitoring the parameters of power transformer трансформатора components
Данная бок-схема состоит из следующих функциональных элементов: 1 - бак силового трансформатора; 2 - трансформаторное масло; 3 - магнитопровод; 4 - обмотка высокого напряжения (ВН); 5 - обмотка низкого напряжения (НН); 6 - вывод обмотки ВН; 7 - вывод обмотки НН; 8 - изолированный цилиндрический металлический электрод с внутренним коаксиально расположенным выводом обмотки НН; 9 - генератор низковольтного высокочастотного синусоидального напряжения; 10 - измерительное устройство; L - индуктивность низкочастотного фильтра; А - «фаза» ВН; а - «фаза» НН.
Для более полного анализа основных физических процессов, реализуемых в компонентах силового трансформатора, составим электрическую схему замещения дополнительного высокочастотного измерительного электрического контура (рис. 3).
Рис. 3. Электрическая схема замещения Fig. 3. Electrical equivalent circuit of the high-frequency высокочастотного измерительного measuring electrical circuit
электрического контура
Представленная на рисунке 3 электрическая схема замещения дополнительного высокочастотного измерительного электрического контура состоит из следующих элементов: Ссв - конденсатор связи, образованный цилиндрическим металлическим электродом и выводным концом обмотки, расположенным внутри него коаксиально; Ьф -индуктивность НЧ-фильтра; Ьф - индуктивность НЧ-фильтра (НЧ-дроссель); ио
- соответственно высокочастотные напряжения возбуждения обмотки НН; / -
высокочастотный ток обмотки НН; ТТ - измерительный трансформатор тока; Ктт — коэффициент преобразования ТТ; 1 - условная элементарная маслонаполненная трансформаторная ячейка, содержащая магнитопровод 2, активное сопротивление Я1 и индуктивность Ь1 обмотки НН, а также ИКЯ, образованную конструктивной паразитной емкостью С между первым внутренним рядом обмотки НН и поверхностью магнитопровода.
Для проведения анализа физических процессов рассматриваемой электрической цепи будем считать, что обмотка НН и ее магнитопровод имеют цилиндрическую форму (рис. 4), а комплексное сопротивление обмотки НН равно
^ = (Д + 7-ш-4) » 2 с, (1)
где Х„ = - 7 —1— - комплексное сопротивление ИКЯ; ш - высокая циклической частота
С Л х-ч
ш - С
напряжения возбуждения обмотки НН.
Исходя из сделанных допущений, следует, что 2Ь ^ ж, т.е. высокочастотный ток /0 обмотки НН фактически будет определяться только состоянием параметров ИКЯ, имеющей импеданс 2С.
Конструктивные особенности ИКЯ представлены на рисунке 4, где 1 - условный резервуар; 2 - газо-жидкостный компонент; 3 - металлический магнитопровод; 4 - первый внутренний ряд обмотки НН; 4 - обмотки НН.
Рис. 4. Конструкция измерительной Fig. 4. Design of the measuring capacitor cell конденсаторной ячейки
Объект контроля в рассматриваемом случае представляет собой гетерогенную диссипативную систему с переменной физико-химической структурой, заполняющий условный резервуар ИКЯ. Принцип действия такой своего рода диэлькометрической емкостной измерительной ячейки для контроля состава и свойств заполняющих ее веществ основан на существовании зависимости между физико-технологическими параметрами этих веществ и емкостью самой измерительной ячейки.
С учетом вышесказанного, рассмотрим упрощенную модель ИКЯ в виде измерительного одинарного двухэлектродного цилиндрического конденсатора с незаполненным межэлектродным пространством (с воздушным диэлектриком), электроды которого представлены в виде двух коаксиальных цилиндров с осевой длиной I (м), условными радиусами внутреннего и внешнего электрода соответственно ri и ^(м).
2 %-! (2)
С — Sn • S, •
(\
ln
При межэлектродном пространстве, заполненном гетерогенной диссипативной системой в виде смеси воздуха, трансформаторного масла и технической воды, модель ИКЯ
можно представить уже в виде трех последовательно соединенных двухэлектродных цилиндрических конденсаторов С1, С2 и С3 соответственно с различными диэлектриками: 1 - с воздухом; 2 - с трансформаторным маслом; 3 - с технической водой (рис. 5).
В этом случае электрическую емкость каждого из упомянутых конденсаторов можно выразить соответственно следующими уравнениями:
C =Е -Е •
C1 Е0 Е1
2л • /
( г Л
ln
r V 'о J
, C2 Ео • Ет •
2л •/
2 (rV 3 ln '
11 J
1 C ЕЛ • Е •
2л-/
ln '
r
V '2 J
(3)
где г0 и Г] - радиусы внутреннего и внешнего электродов конденсатора С1 заполненного воздухом; г2 - радиус внешнего электрода конденсатора С2, заполненного трансформаторным маслом; г3 - радиус внешнего электрода конденсатора С3, заполненного технической водой; 61 - диэлектрическая постоянная воздуха; е2 - диэлектрическая постоянная трансформаторного масла; 63 - диэлектрическая постоянная технической воды.
Рис. 5. Электрическая модель измерительной Fig. 5. Electrical model of measuring capacitor cell конденсаторной ячейки
Определим величину, обратную величине суммарной емкости ИКЯ:
C 2л-Е„- /
2л -е0 • /
f
ln
lnl '2
'1 J
lnl '
'2 J
(4)
ln r - ln r nr - ln r
ln ' - ln ' + —2-L + —--
Примем, что = (г1-г0) - толщина слоя воздуха содержащегося в трансформаторном масле и условно равномерно распределенного по поверхности электрода; й2 = (г2-г1) -толщина слоя трансформаторного масла, условно равномерно распределенного по поверхности электрода; й3 = (г3-г2) - толщина слоя воды, содержащегося в трансформаторном масле и условно равномерно распределенного по поверхности электрода; Б = - средняя величина зазора между первым внутренним рядом
обмотки НН и поверхностью магнитопровода.
Тогда, с учетом того, что 0 < г^+1/ г,- < 2 выражение (4) можно привести к виду:
_1
С ~
2л • е0 • /
D-Е2—1 • d• d
(5)
В соответствии с (5) определим величину суммарной емкости ИКЯ:
C = —
2л•Eq•/
D• d
(6)
6 2 63
Известно, что объемное электрическое сопротивление для диэлектрического материала, находящегося в межэлектродном пространстве цилиндрического конденсатора с коаксиально расположенными электродами, определяется выражением:
1
г
1п ^
ОДМ 8
= gv
й
(7)
2л/ 2л/
где ё - толщина слоя материла, находящегося в межэлектродном пространстве цилиндрического конденсатора; I - осевая длина электродов цилиндрического конденсатора; gv - удельное объемное сопротивление материала.
С учетом (7) выражение (6) можем переписать в следующем виде:
С =
2л-в0-/
в2 -1 2л - / - О2 в3 -1 2л - / - 03
я--------
£ 2
8з
Для ИКЯ определим величину импеданса: у • 1
2с, ="7--- = -J■
ш-С
2л-ш-в0 -/
Гв в2-1 2л-/-О2 в3-1 2л-/-О3 ^
8 2
8з
у
(8)
(9)
Исходя из того, что процессы, происходящие в диэлектриках в электрическом поле, описываются согласно Дебаю [24], введем понятие так называемой комплексной диэлектрической проницаемости:
в = е -Jхв ,
(10)
где в - вещественная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости, отражающая свойство полярности системы; в - мнимая составляющая комплексной диэлектрической проницаемости, отражающая свойство поглощения энергии электрического поля системой по различным каналам, включая и сквозную проводимость.
Принимая во внимание, сделанное выше замечание (10) для выражения (9) можем записать:
2с = -}■
= -}-
1
(
271-СО -80 •/
(в"- j-в"-1) 2л-/-О (е"-) хе"-1) 2л-/-О
\
2л-ш -в0 - /
Я -
(в2 - j -в;;) 2п - / - О Г
8 2
1-
V (В2
82 в;
(е3 - j х е3")
8з
(в2)2+(в'2)2 "j - (в2)2+(в'2)2
2л- / - & Г
8з
—>
2> У
1-
V (ез
(е3)2 +(е3)2 7 (е3)2 +(е3)2
■3) у
= -j -
2л-ш-в0 -/
-
1
2л-ш-в0 -/
2л - /- О2
82
2л- / - О,,
1 —
2л-/-О Г
8з
1 -
О2 + (е3 )2 у
+ ^
-
Я -
82 2л- /- 02
, 82
2л- / - & Г
8 2
V (в2)2 + (в'2 )2 у
2л-/-а Г
8з
(е3)2+(е3)2
3
з) У
^ 2л-/-а г
V(в2)2 +(е2)2у
8з
V(е3)2+(е3)2у
1-
(в2)2+(в")2
^ 2л-/- О, [
8 з
—>
А"
1-
(ез)2 +(ез)2
зу
(11)
После некоторых несложных преобразований формула (11) трансформируется к
виду:
2С = 0>2 ' °2 + ЬЪ ' °3 ) " ] ' <4 " а2 ■ °2 -■аз ■ °3 ) = В ~ ] ' А
(12)
1
где a0 =
b2 =
D
1
2л •ю •в,, • Г
ю-е0 • g2
Л
1 -
(ei )2 + (е'2 )2
2' /
юво -g;
1-
v (в;)2+(е;')2 ,
v (в2)2 + (в'2 )2,
и b3 = -
>• g 3
л
v(В3)2 + (в;)2,
- постоянные коэффициенты;
В = (Ъ2 • G + Ъ3 • ^ ) и Л = (- й2 • G - а3 • ^ ) - соответственно активная и реактивная составляющие импеданса ИКЯ.
В соответствии с выражением (12) составим систему линейно независимых алгебраических уравнений:
в = b2 • g+ь • G; a = a0 — a • G — a • G •
(13)
Решением системы уравнений (13) будут математические выражения следующего
вида:
G =
A • b - a • b + a • B
a3 • b2 - a • b3
Определим проводимость ЙКЯ:
b; ao b; , a; в ao • b2 • Ь; - a2 • b3 • (B + A)
- и G = ■
Ma; A -a2 •b;)
1 1 В . A A A
— =-= —;-7 + 7 • —;-7 = G + G,
zc я-у-л л2+£2 л2+£2 ~17
(14)
(15)
b ■ A
где q = —b- и Q = j x A
а .2 —.2 ^ р J
-р J A2 + 52
соответственно активная и реактивная
Л2 + В2 проводимостями ИКЯ.
В соответствии с выражением (15) измерительную конденсаторной ячейку С (пассивный двухполюсник) можно представить в виде эквивалентной схемы замещения, состоящей из параллельного соединения элементов с активной ) и реактивной )
проводимостями, а суммарный протекающий через нее электрический ток 10 выразить через две его составляющие - активную 1а и реактивную / (рис. 6):
1
I0=Uc- — = Uc-Qa+Uc-Op=Ia+Ip
(16)
где 1а = йс х ))а и I = цус х ) - соответственно активная и реактивная составляющая
полного высокочастотного электрического тока цепи /0; йс = £/с х = С/0 - /0 х ¿св -высокочастотное электрическое напряжение, прикладываемое к ИКЯ.
Рис. 6. Векторная диаграмма высокочастотных Fig. 6. Vector diagram of high frequency электрических напряжений и токов electrical voltages and currents
Воспользуемся для одновременного формирования из векторной величины /
скалярных составляющих, пропорциональных ее проекциям на соответствующие координатные оси или ее фазе относительно другой векторной величины jjc, простейшими
квадратурными функциональными преобразователями - квадратурными синхронными детекторами (СД) с опорными напряжениями, сдвинутыми по фазе на л/2.
При совмещении векторов опорных напряжений СД с осями координат на комплексной плоскости Uc постоянные составляющие выпрямленного электрического
a=
0 • g 2
С
тока цепи на выходах СД, работающих в ключевых режимах, будут определяться следующими соотношениями:
k =#-|ÄJ-cos(arg/0);
, . (17)
|Ip=^-|/0|-sin(arg/0),
где Ia и Ip - регистрируемые действующие значения активной и реактивной составляющих
полного высокочастотного электрического тока цепи /0; K = К^ х КСд ; К^ и КСд -
коэффициенты преобразования соответственно ТТ и квадратурных СД; (arg I0) - угол
между входным напряжением СД и его опорным напряжением.
Исходя из (16) и (17) определим соответственно действующие значения активной и реактивной проводимостей:
Q = ' а =-B-и Q = 1р =-A--(18)
Qa K х Uc Л2 + B2 Qp K х Uc A2 + B2
С учетом того, что B/Qa = A/ Qp, для действующих значений активной и реактивной составляющие импеданса ИКЯ можем соответственно записать:
Qp . г> __Qa
Л = -Q_■ B =_Qa__(19)
(Qp + Qa2)' (Q p + Qa2 )
После несложных преобразований выражений (19) окончательно подучим:
Л- К4.=в= - 11Ц1=. (20) к-ис (I; +/;) (Iр + II) КЦ (/р,+Ч) +4)
После соответствующей подстановки (21) в (14) определим объемное сопротивление для трансформаторного масла и технической воды, находящихся в межэлектродном пространстве ИКЯ:
~ К-ис-1р-Ъз + К-ис-1а • аз - а0 -Ъ,-( I* +1]) О =-;-;-; (21)
2 (¡1 + 1а2)-(аз -Ъ2 -а2-Ъз)
,, а0 -Ъ2 - Ъз - (Iр + ¡а2) - а2 -Ъз- К-ис -(Iа +1р ) ^
О =-;-;--(22)
з (II +1«)-Ъз-(аз А -а2-Ъз)
Следует заметить, что, с учетом того, что в рассматриваемой электрической цепи реализуется резонансный режим возбуждения ИКЯ можно считать ис=и0.
Из анализа алгоритмов определения (21) и (22) текущих значений объемных сопротивлений трансформаторного масла (ТМ) и технической воды (ТВ) следует вывод о том, что существует реальная возможность контроля состояния состава сложной гетерогенной жидкостной смеси, находящейся в резервуаре силового трансформатора, путем создания в его действующей электрической цепи дополнительного высокочастотного измерительного контура (ДВИК).
Если значения указанных параметров компонентов гетерогенной жидкостной смеси, определяемых алгоритмическим путем, в силу воздействия различных эксплуатационных и временных факторов будут превышать заранее заданные соответствующие эталонные допустимые значения, то данный факт будет свидетельствовать о том, что в данном силовом электрооборудовании появились определенные деградационные процессы в его функциональных элементах.
Вариант структурной блок-схемы дополнительного высокочастотного измерительного контура представлен на рисунке 7.
Здесь обозначено: ио - высокочастотное напряжение питания ДВИК: и0 - действующее значение напряжение питания ДВИК; 7. - комплексное сопротивление конденсатора связи; 7. с - комплексное сопротивление ИКЯ; I - высокочастотный ток ДВИК; 1а и I р - измеряемые действующие значения соответственно активной и реактивной составляющих /0; КТТ - коэффициент преобразования измерительного ТТ ; К= КТТх КСд -
коэффициент преобразования измерительного канала, где КСд - коэффициент преобразования синхронных детекторов; а{ - задаваемые конструктивные параметры; 1 -
измерительный трансформатор тока; 2 - измеритель тока; 3 и 4 - квадратурные синхронные детекторы; 5 - формирователь опорных напряжения для синхронных детекторов; 6 -
информационно-вычислительный блок.
Рис. 7. Структурная блок-схема дополнительного Fig. 7. Structural block diagram of an additional высокочастотного измерительного контура high-frequency measuring circuit
Выводы
Применение предлагаемой системы мониторинга технического состояния силовых трансформаторов по качеству масла, реализующий один из вариантов метода высокочастотного импеданса, позволит не только своевременно и оперативно принимать техническому персоналу решения по получаемой информации, но и обеспечит длительную работоспособность самого силового электрооборудования.
Эффективность предлагаемого способа заключается в возможности создания системы предупреждения отказов силового трансформатора, обеспечивающей повышение надежности контроля технического состояния силового маслонаполненного трансформатора за счет раннего выявления в нем зарождающихся неисправностей благодаря непрерывному контролю концентрации растворенных в масле воды и газов.
Результаты предварительных экспериментальных исследований подтвердили работоспособность предложенного способа мониторинга технического состояния силового трансформатора по состоянию масла, а также варианта его схемотехнической реализации. При этом следует подчеркнуть, что в данной работе не ставилась задача численной оценки точности предложенного способа по сравнению с известными. Детальная разработка схемно-аппаратной части устройства, реализующего разработанный способ, его оптимизация и детальные экспериментальные исследования являются следующим самостоятельным этапом проводимых работ. Целью данной статьи является раскрытие принципиальной сути физических эффектов, позволяющих осуществлять контроль состояния масла непосредственно во время работы трансформатора путем создания в его действующей электрической цепи дополнительного высокочастотного измерительного контура, и теоретическое обоснование процедуры этого контроля.
Таким образом, полученные в работе результаты в виде предложенного и обоснованного нового способа контроля и его принципиальной аппаратной реализации, неизвестных из текущего уровня техники, вносят существенный научный вклад в теорию и практику мониторинга технического состояния силовых масляных трансформаторов.
В заключение следует отметить, что предложенный способ контроля масла может быть использован не только для контроля трансформаторов, но и для другого энергетического маслозаполненного оборудования, например, для реакторов, масляных выключателей, измерительных трансформаторов тока и напряжения, высоковольтных вводов и др.
Литература
1. Рожкова Л.Д. Электрооборудование электрических станций и подстанций. М.: Academia, 2017. 160 c.
2. Алексеев Б.А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов (Основное электрооборудование в энергосистемах: обзор отечественного и зарубежного опыта). М.: Изд-во НЦЭНАС, 2002. 216 с.
3. Высогорец С.П., Горец И.А., Таджибаев А.И. Повышение эффективности управления системой технического обслуживания и ремонта трансформатора на основе контроля параметров масла // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2019. С. 8-16.
4. Высогорец С.П. Повышение достоверности диагностирования трансформаторного оборудования в аварийной ситуации // Электроэнергия. Передача и распределение. 2019. №1 (52). С. 124-127.
5. Шилин А.Н., Шилин А.А. Приборы контроля и диагностики в электроэнергетике. ВолгГТУ. Волгоград 2017. 131 с.
6. Романов А.С. Анализ и классификация известных методов и средств диагностики силовых масляных трансформаторов // Молодой ученый. 2020. № 22 (312). С. 138-142.
7. Лизунов С.Д., Лоханин А.К. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под редакцией С. Д. Лизунова и А. К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004. 616 с.
8. Михеев Г.М. Трансформаторное масло. Чебоксары: Изд-во Чуваш. университета, 2003. 148 с.
9. Wilson, A.C.M. Insulating liquids: their uses, manufacture and properties/ London, New York: Peter Peregrinus LTD, 1980. 221 p.
10. Fofana I., Borsi H., Gochenbach J. Fundamental investigation on some transformer liquids under various outdoor condition // IEEE Trans, on Dielec. and Electric. Insulat. 2001. V.8. № 6. pp. 1040-1047.
11. Kathik R., Raja T.S.R. Investigations of transformer oil characteristics // IEEJ Trans. Electr. Electron. Eng. 2012. V.7(4). pp. 2543-2553.
12. Куракина О.Е., Козлов В.К., Туранова О.А., Туранов А.Н. Исследование изменения структурно-группового состава трансформаторного масла в процессе эксплуатации // Problemele energeticii regionale. 2018. 2 (37). С. 39-45.
13. Валиуллина Д.М., Гарифуллин М.Ш., Козлов В.К. Аналитический обзор. Методы и средства диагностики изоляционных масел. Казань: ООО «ИЦ Энергопрогресс». 2003. 144 с.
14. Коробейников С.М., Бычков А.Л., Чимитова Е.В., Демин В.А. Статистический анализ характеристик частичных разрядов в трансформаторном масле у острийного электрода на переменном напряжении // Проблемы региональной энергетики, 2017. № 2(34). С. 36-44.
15. Коробейников С.М., Лютикова М.Н. Методы контроля влагосодержания жидких диэлектриков. Состояние и проблемы. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т.19(9-10). С. 32-49.
16. Валиуллина Д.М., Ильясова Ю.К., Козлов В.К. Качественные методы спектрального анализа в диагностике трансформаторных масел // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2019. Т.21. № 1-2. С. 87-92.
17. Кашин Я.М., Кириллов Г.А., Варенов А.Б. и др. Анализ современных методов и аппаратуры контроля качества трансформаторного масла // Вестник АГУ. 2017. Вып. 3 (206). С. 109-121.
18. Высогорец С.П., Таджибаев А.И. Разработка методических принципов совершенствования современной системы диагностирования трансформаторов // Электроэнергия. Передача и распределение. 2019. № 4 (55). С. 106-111.
19. Высогорец С.П. Разработка методики экспресс-анализа параметра качества изоляционного масла // Надежность и безопасность энергетики. 2018. Т. 11. № 1. С.41-47.
20. Валиуллина Д.М., Ильясова Ю.К., Козлов В.К., Гиниатуллин Р.А., Старостина Т.Ю. Определение характеристик трансформаторного масла спектральным методом // Вестник КГЭУ, 2021, Том 13, № 1(49). С. 66-74.
21. Palito T., Assagra Y., Altafim R., et al. Investigation of Water Content in Power Transformer Oils through Ultrasonic Measurements Physics 2018 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), 2018.
22. Tyuryumina A., Batrak A., Sekackiy V. Determination of transformer oil quality by the acoustic method // MATEC Web of Conferences. 2017. pp. 1-6.
23. Kalathiripi H., Karmakar S. Analysis of transformer oil degradation due to thermal stress using optical spectroscopic techniques // Int. Trans. Electr. Energ. Syst. 2017. p 2346. doi: 10.1002/etep.2346.
24. Костюков Н.С., Ерёмина Н.В., Растягаев Е.А. Частотные зависимости характеристик диэлектриков по теории Дебая и волновой теории // Вестник Амурского государственного университета. Серия: Естественные и экономические науки. 2012. № 59. С. 26-33.
Авторы публикации:
Брякин Иван Васильевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий лабораторией «Информационно-измерительные системы», Институт машиноведения и автоматики, Национальная Академия Наук Кыргызской Республики. E-mail: bivas2006@yandex.ru.
Бочкарев Игорь Викторович - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Электромеханика», Кыргызский государственный технический университет им. И. Раззакова. E-mail: elmech@mail.ru.
References
1. Rozhkova LD. Electrical equipment of power stations and substations. M.: Academia, 2017. 160 p.
2. Alekseev BA. Status monitoring (diagnostics) of large power transformers (Basic electrical equipment in power systems: a review of domestic and foreign experience). M.: Publishing House of NTsENAS. 2002. 216 p.
3. Vysogorets SP, Gorets IA, Tadzhibaev AI. Improving the efficiency of managing the system of maintenance and repair of a transformer based on the control of oil parameters. Methodological issues of researching the reliability of large energy systems. Irkutsk: ISEM SO RA. 2019. pp. 8-16.
4. Vysogorets S.P. Improving the reliability of diagnosing transformer equipment in an emergency. Electricity. Transmission and distribution. 2019;1 (52):124-127.
5. Shilin A.N., Shilin A.A., Artyushenko N.S. Instruments for monitoring and diagnostics in the electric power industry. VolgGTU. Volgograd, 2017. - 131 p.
6. Romanov AS. Analysis and classification of known methods and means of diagnosing power oil transformers.Young scientist. 2020;22 (312):138-142.
7. Lizunov SD, Lokhanin AK. Power transformers. Reference book. Edited by S.D. Lizunov and A.K. Lokhanin. M.: Energoizdat. 2004. 616 p.
8. Mikheev GM. Transformer oil. Cheboksary: Chuvash Publishing House. University, 2003. 148 p.
9. Wilson ACM. Insulating liquids: their uses, manufacture and properties. London, New York: Peter Peregrinus LTD. 1980. 221 p.
10. Fofana I, Borsi H, Gochenbach J. Fundamental investigation on some transformer liquids under various outdoor conditions. IEEE Trans, on Dielec. and Electric. Insulat. 2001;8(6):1040-1047.
11. Kathik R, Raja TSR. Investigations of transformer oil characteristics. IEEJ Trans. electr. electron. Eng. 2012;7(4):2543-2553.
12. Kurakina OE, Kozlov VK, Turanova OA. Study of changes in the structural-group composition of transformer oil during operation. Problemele energeticii regionale. 2018;2 (37): 39-45.
13. Valiullina DM, Garifullin MSh, Kozlov VK. Analytical review. Methods and means of diagnosing insulating oils. Kazan: LLC «ITs Energoprogress». 2003. 144 p.
14. Korobeinikov SM, Bychkov AL, Chimitova EV, et al. Statistical analysis of the characteristics of partial discharges in transformer oil near a spiked electrode on an alternating voltage. Problems of Regional Energy. 2017;2(34):36-44.
15. Korobeinikov SM, Lyutikova MN. Methods for monitoring the moisture content of liquid dielectrics. condition and problems. News of higher educational institutions. Energy problems. 2017;19(9-10):32-49.
16. Valiullina DM, Ilyasova YuK, Kozlov VK. Qualitative methods of spectral analysis in the diagnostics of transformer oils. Izvestia of higher educational institutions. Problems of Energy. 2019; 21(1-2):87-92.
17. Kashin YaM, Kirillov GA, Varenov AB. and others. Analysis of modern methods and equipment for quality control of transformer oil. Bulletin ofASU. 2017;3 (206):109-121.
18. Vysogorets SP, Tadzhibaev AI. Development of methodological principles for improving the modern system for diagnosing transformers. Electricity. Transmission and distribution. 2019;4(55): 106-111.
19. Vysogorets SP. Development of a method for express analysis of the quality parameter of insulating oil. Reliability and safety of the energy sector. 2018;11(1):41-47.
20. Valiullina DM, Ilyasova Yu.K, Kozlov VK, et al. Determination of the characteristics of transformer oil by the spectral method. VestnikKSEU, 2021;13:1(49):66-74.
21. Palito T., Assagra Y., Altafim R., Carmo J., Carneiro A., Altafim R. Investigation of Water Content in Power Transformer Oils through Ultrasonic Measurements Physics 2018 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), 2018.
22. Tyuryumina A, Batrak A, Sekackiy V. Determination of transformer oil quality by the acoustic method. MATEC Web of Conferences. 2017. pp.1-6.
23. Kalathiripi H, Karmakar S. Analysis of transformer oil degradation due to thermal stress using optical spectroscopic techniques. Int. Trans. electr. Energ. Syst. 2017. pp. 2346. doi: 10.1002/etep.2346.
24. Kostyukov NS, Eremina NV, Rastyagaev EA. Frequency dependences of the characteristics of dielectrics according to the Debye theory and wave theory. Bulletin of the Amur State University. Series: Natural and Economic Sciences, 2012; 59:26-33.
Authors of the publication
Ivan V. Bryakin - Institute of Automation and Information Technologies of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic. E-mail: bivas2006@yandex.ru.
Igor V. Bochkarev - Kyrgyz State Technical University named after I. Razzakova. E-mail: elmech@mail.ru.
Получено 10. 03.2022г.
Отредактировано 14.03.2022г.
Принято 21.03.2022г.
