CC BY
86
УДК 621.314.222.6 : 004.942 Н. Г. РОВКИНА
В. 3. КОВАЛЁВ А. А. 3ЯБКИН
Омский государственный технический университет Югорский государственный университет, г. Ханты-Мансийск
СИСТЕМА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ОБМОТОК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с отслеживанием внутренних повреждений силовых трансформаторов (СТ), приводятся известные методы идентификации параметров электрических машин. С целью увеличения быстродействия известных за рубежом оп-Нпе систем контроля параметров СТ, предлагается использовать канонические численные методы счета динамики контролируемого объекта.
Ключевые слова: силовые трансформаторы, идентификация параметров, системы защиты и мониторинга, канонические методы интегрирования систем дифференциально-алгебраических уравнений.
Ханты-Мансийский автономный округ — Югра является лидером по доказанным запасам углеводородов, объемам добычи нефти, производству и потреблению электроэнергии в стране [1]. В связи с этим совершенствование комплексов генерации электроэнергии и ее распределения в рассматриваемом регионе заслуживает особого внимания.
Распределение электрической энергии между нефтегазодобывающими предприятиями (НГДП), городами и сельскими районами, а также внутри НГДП по Югре производится воздушными и кабельными линиям при напряжениях 220, 110, 35, 20, 10, 6 кВ. Силовые трансформаторы, являясь связующим звеном между электростанциями, распределительны-ми пунктами и потребителями, организуют много-кратную (от 5 раз и более) трансформацию электрической энергии [2]. Широкое распространение трансформаторов в основном и определяет их значительное влияние на надежность энергосистемы в целом.
Выход из строя силового трансформатора способен нанести весомый материальный ущерб. В основном этот ущерб связан с нарушением технологического процесса, которое в условиях нефтедобычи влечет за собой большие издержки. Разрушение трансформаторов, сопутствующий выход из строя технологического оборудования, снижение электро- и пожаробезопасности, связанные с возможными короткими замыканиями, также увеличивают возможные убытки вследствие аварии.
Общеизвестные средства защиты неспособны обеспечить требуемой сохранности трансформатора. В связи с этим возникает потребность в разработке системы обнаружения дефектов в работающем трансформаторе на ранних стадиях их развития.
Методы выявления дефектов
Известные методы тестовой диагностики [3], подразумевающие воздействие на узлы трансформатора искусственно сформированными возмущениями, способны гарантированно выявить признаки начала развития дефекта только в отключенном состоянии. Большие издержки, связанные с простоем технологического нефтедобывающего оборудования, сократили до минимума все плановые и неплановые отключения трансформаторов. Последнее обстоятельство делает необходимым разработку методов функциональной диагностики. Обнаружение дефектов на ранней стадии их развития в работающем трансформаторе не только может предупредить внеплановую остановку технологического процесса, но и со-кратить расходы на восстановление вышедшего из строя аппарата, а также продлить срок его службы.
Помимо описанного выше недостатка тестовой диагностики, необходимо отметить факт ее способствования развитию дефектов изоляции при проведении испытаний. После проведения плановых ремонтов, а также при первом включении под напряжение трансформатор подвергается высоковольтным испытаниям, которые оказывают на изоляцию обмоток разрушающее влияние, вызывая ускоренное преждевременное старение. Развивающийся со временем дефект изоляции становится более уязвимым перед неблагоприятными факторами. Особое внимание из них вызывает большой спектр высших гармоник, вызывающий нарушение устойчивости устройства, сокращению его срока службы из-за повышенной вибрации, перегрузки магнитных и емкостных цепей,
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
192
дополнительного нагрева обмоток, и, следовательно, ускоренного износа изоляции [4].
Подходы к функциональным методам диагностики и защиты трансформаторов
Опыт отечественных и зарубежных исследователей, а также разработчиков систем непрерывного диагностического мониторинга трансформаторов позволяет привести перечень систем трансформатора представленных в порядке важности контроля с точки зрения надежности [5, 6, 7]:
— изоляционная система;
— система охлаждения;
— система токоведущих частей;
— система магнитопровода;
— дополнительные системы (в том числе — система регулирования напряжения, целостность конструкции и пр.).
Анализ повреждений силовых трансформаторов в эксплуатации и опыт испытаний трансформаторов на стойкость при коротком замыкании (КЗ) показывает, что для трансформаторов мощностью от 10 МВА, основной вид повреждения при КЗ — потеря радиальной устойчивости обмоток, подверженных воздействию радиальных сжимающих сил, т.е. появление волнообразной деформации по всей высоте обмотки. Причина деформации обмоток в том, что в процессе эксплуатации трансформатора из-за старения и усадки изоляции, существенной вибрации и релаксации системы прессовки происходит ослабление усилия поджатия обмоток. В случае короткого замыкания в сети это приводит к деформации витков. Основной признак деформации обмоток силовых трансформаторов — изменение полных сопротивлений КЗ и их индуктивных составляющих вследствие изменения размеров канала рассеяния [8].
Автор публикации [8] отмечает, что широко используемые в настоящее время методы диагностики геометрии обмоток — измерение сопротивления КЗ и зондирование низковольтными импульсами хороши тем, что для оценки состояния обмоток трансформатора нет необходимости его разбирать. На его взгляд, метод измерения сопротивления КЗ прост и достоверен, но недостатком этого метода считается тот факт, что из-за отсутствия базовых данных по-фазных измерений сопротивления КЗ, неправильных расчетов паспортного значения сопротивления КЗ, отсутствие опыта у персонала, низкого класса точности применяемых приборов, несоблюдения требуемых условий измерений исследование может привести к искаженным результатам.
Таким образом, возникает задача определения параметров холостого хода и короткого замыкания силового трансформатора под нагрузкой.
В статье [7] также отмечается неэффективность традиционных методов обнаружения дефектов. Помимо диагностических задач, автор публикации [7] ставит задачу «моментального» обнаружения появления дефекта и последующего быстрого отключения трансформатора, с целью предотвращения или уменьшения масштабов будущего ремонта. В указанной выше статье также предлагается производить оценку состояния обмоток силовых трансформаторов по величине сопротивления короткого замыкания, как наиболее чувствительного к появлению деформаций обмоток в результате КЗ. Особенность методики состоит в том, что контролируются отклонения индуктивности за период от величины уставки. Расчет текущей индуктивности производится по измеренным действующим значениям тока и напряжения.
Произведенный в [5] обзор иностранных систем оценки состояния силовых трансформаторов подчеркивает несколько особенностей подхода при построении таких устройств. Оценка состояния отдельных узлов трансформатора производится на основании непрерывного анализа сигналов с множества датчиков (до 45 шт.): электрических и акустических, для регистрации частичных разрядов; датчиков содержания влаги в масле, для отслеживания увлажнения изоляции; анализатора газов, определяющих наличие локальных и общих перегревов; температурных датчиков, фиксирующих отклонение от нормального температурного режима; устройств контроля диэлектрических вводов и др.
Другой особенностью иностранных систем диагностики, в частности системы TPAS (Transformer Performance Analysis System) является использование математических моделей поведения отдельных узлов трансформатора. Принцип непрерывного контроля состояния трансформатора на основе моделей поведения его узлов был разработан Массачусетским технологическим институтом. Для каждого датчика системы по математическим моделям рассчитываются ожидаемые результаты измерений, и время от времени они сравниваются с фактическими данными. Если разница представляет статистически значимую величину, это сигнализирует об ухудшении состояния данного узла [5].
В публикации [9] рассмотрена математическая модель силового трансформатора, основанная на сплай-новой аппроксимации трехмерных матриц потоко-сцеплений обмоток, полученных из расчета двухмерного магнитного поля методом конечных элементов при варьировании намагничивающих сил. Автор рассматривает возможность использования представленной модели при построении диагностических систем путем сопоставления расчетных данных с результатами измерений.
В расчетах динамических режимов трансформатора используется библиотека конечно-элементного моделирования магнитного поля, разработанная на кафедре электромеханики Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ). По мнению автора, данная библиотека позволяет рассчитывать квазистационарное магнитное поле в двухмерной постановке задачи в декартовой и осесимметричной системе координат с учетом нелинейности магнитных характеристик сталей при задании на границах расчетной области условий Дирихле, Неймана и периодичности. В узлах конечно-элементной сетки считаются значения векторного магнитного потенциала, по которым вычисляются величины индукции в треугольных элементах и потокосцепле-ния обмоток [9].
Динамический режим работы трансформатора для схемы соединения обмоток Y/Y, в [9] описывается системой уравнений (1):
dY
A
dY
UAB - Wa +-ГГ - Wb ,,
dt dt
B
dYB
dt
dY
dYc
dt
dia
dYb
dib .
0 - ia(ra + Rha) + “7T - Lha “TT - ib(rb + Rhb)----------TT - Lhb “T.
dt dt dt dt
0 - ib(rb + Rhb) + —Y -Lhb““T -ic(rC + RhC —TT -Lhc ““7 ;
dt dt dt dt
iA + iB + iC - 0
iT+ib +ic - 0
Рассчитывая коэффициенты индуктивной связи обмоток по частным производным функций трехмерного сплайна, автор представляет производную от потокосцеплений по времени согласно выражению (2):
сТТ т 7
^ 17- (2)
ах 7=л(в(с(а(ъ(с а!
С учетом (2) систему (1) можно переписать в матричном виде (3), приведя к нормальной форме Коши. Полученная система уравнений может решаться любым методом численного интегрирования, например, методом Рунге-Кутты [9].
" а _ а
Автор публикации [9], в ходе исследования методов решения системы дифференциальных уравнений (1), с приведением ее к нормальной форме Коши, позднее выявил следующие проблемы [10]:
— низкая скорость протекания расчетного процесса;
— недостаточно высокая точность определения расчетных параметров;
— появление вычислительной неустойчивости процесса расчета.
Выводы
1-Построение системы непрерывного контроля состояния трансформатора с использованием мате-мат ических моделей поведения его отдельных узлов является перспективной и актуальной задачей.
2. Наиболее важными узлами силового трансформатора являются его обмотки, состояния которых необходимо контролировать в первую очередь.
3. Общеизвестные подходы к интегрированию систем дифференциальных уравнений электромагнитной модели трансформатора в форме (1), (2) не обеспечивают требуемых результатов по скорости и устойчивости вычислительного процесса.
4. Неустойчивость процесса решения системы уравнений (1), (2) определяется не только свойствами метода, но и свойствами самой модели, поскольку в результате необходимо одновременно учитывать процессы разной природы.
На основании вышесказанного актуальной задачей становится выявление вычислительных свойств модели и построение адекватного для данной модели численного метода.
Библиографический список
1. Официальный веб-сайт органов государственной власти Ханты-Мансийского автономного округа — Югры [Элект-
ронный ресурс] — URL : http://www.admhmao.ru/economic/ prom/elekener.htm (дата обращения 27.05.2010).
2. Беспалов, В. Я. Электрические машины : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / В. Я. Беспалов, Н. Ф. Коте-ленец. — М. : Издательский центр «Академия», 2006. — 320 с.
3. ГОСТ 3484.1-88. Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний. — Введ. 01.01.90. — М. : Изд-во стандартов, 1989. — 40 с.
4. Григорьев, Г. Я. Повышение эффективности управления энергетическими комплексами в нефтегазодобыче : автореф. дис. ... канд. тех. наук / Геннадий Яковлевич Григорьев. — Тюмень, 2005. — 23 с.
5. Алексеев, Б. А. Системы непрерывного контроля состояния крупных силовых трансформаторов / Б. А. Алексеев // Электр. станции. — 2000. — № 8. — С. 62 — 70.
6. Русов, В. А. Системы диагностического мониторинга силовых трансформаторов / В. А. Русов // Электро. — 2009. — № 6. - С. 35-37.
7. Хренников, А. Ю. On-line система защиты и мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов и реакторов / А. Ю. Хренников // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия технические науки. - 2007. - № 2(20). - С. 158-163.
8. Минченко, Ю. Д. Потребность в оценке работоспособности силового трансформатора при диагностики механического состояния обмоток / Ю. Д. Минченко, С. М. Шимановский // Технические и прикладные науки : науч.-тех. конф. по итогам раб. профессорско-преп. / сост. СевКавГТУ за 2007 г. - Ставрополь : СевКавГТУ, 2008. - 236 с.
9. Климов, Д. А. Диагностирование силовых трансформаторов на основе системы имитации динамических режимов / Д. А. Климов, Г. В. Попов, А. И. Тихонов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2007. - №1. - С. 44-51.
10. Климов, Д. А. Математическое моделирование динамических режимов работы силовых трансформаторов для автоматизированного проектирования и диагностики : дис. ... канд. техн. наук / Климов Дмитрий Александрович. - Иваново, 2007. - 143 с.
РОВКИНА Наталья Геннадьевна, аспирантка кафедры экономической теории и информационных технологий в экономике Омского государственного технического университета.
КОВАЛЁВ Владимир Захарович, доктор технических наук, профессор (Россия), проректор по науке Югорского государственного университета. ЗЯБКИН Александр Александрович, аспирант кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления Югорского государственного университета.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected].
Статья поступила в редакцию 29.06.2011 г.
© Н. Г. Ровкина, В. З. Ковалёв, А. А. Зябкин
= [L]-1[U]. (3)
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
