CC BY
10'Приборостроение, системы управления, электронная и
УДК 621.317
DOI: 10.24412/CL-35807-2023-1-13-19
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Кольцов Н. Е., студент ФГАОУВО «Дальневосточный федеральный университет», e-mail: koltcov.ne@students.dvfu.ru Иванов Ю. В., студент ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», e-mail: ivanov.iuv@students.dvfu.ru Сасюк А. К., студент ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», e-mail: sasiuk.ak@students.dvfu.ru Тетиора С. Ю., старший преподаватель ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», e-mail: tetiora_sy@dvfu.ru Хан И. Е., студент ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», e-mail: khan.ie@dvfu.ru
IMPROVEMENT OF THE METHOD OF ELECTROMAGNETIC CONTROL FOR THE PURPOSE OF AUTOMATED DIAGNOSIS OF HIGH-VOLTAGE POWER EQUIPMENT
Koltsov N. E., student "Far Eastern Federal University", e-mail: koltcov.ne@students.dvfu.ru Ivanov Yu. V., student "Far Eastern Federal University", e-mail: ivanov.iuv@students.dvfu.ru Sasyuk A. K., student "Far Eastern Federal University", e-mail: sasiuk.ak@students.dvfu.ru Tetiora S. Yu., senior lecturer "Far Eastern Federal University", e-mail: tetiora_sy@dvfu.ru Khan I. E., student "Far Eastern Federal University", e-mail: khan.ie@dvfu.ru
Аннотация. В работе рассмотрены вопросы автоматизированной диагностики высоковольтного электротехнического оборудования. Рассмотрен метод электромагнитного контроля. Представлен разрабатываемый программно-технический комплекс.
Annotation. The paper considers the issues of automated diagnostics of high-voltage electrical equipment. The method of electromagnetic control and software and hardware complex under development are presented.
Ключевые слова: высоковольтное оборудование, автоматизированная диагностика, метод электромагнитного контроля.
Keywords: high-voltage equipment, automated diagnostics, electromagnetic control method.
Введение
Трансформаторное оборудование является самым капиталоемким и наиболее значимым среди всего остального энергетического оборудования, повреждение которого приводит к большим экономическим затратам и связано с серьезными рисками для всей системы электроснабжения. Основными причинами выхода из строя трансформаторного оборудования являются износ, старение, несвоевременное обслуживание и ремонт.
Существующая система регламентов позволяла обеспечивать безопасную эксплуатацию при существовавшем тогда уровне научно-технического прогресса. Однако сейчас в России осуществляется переход от системы планово-предупредительного ремонта к системе ремонта по техническому состоянию [7], что связано с очевидными преимуществами такого подхода. Во-первых, нецелесообразно выводить из строя трансформаторное оборудования, которое находится в нор-
мальном состоянии ввиду того, что это ведет к приостановке производственных процессов и требует д ополнительных затрат на осуществление работ. Также постоянный вывод из работы оборудования в ремонт может приводить к определенным повреждениям из-за неквалифицированного персонала. Стоит учитывать тот факт, что в межремонтный период могут возникнуть быст-роразвивающиеся дефекты, приводящие к повреждению оборудования. Таким образом, система планово-предупредительного ремонта недостаточно эффективна.
Одной из задач современного подхода к диагностике является получение информации о состоянии оборудования подстанций, требуемой и достаточной для организации ремонтно-эксплу-атационного обслуживания, в режиме онлайн. Особо важно уметь оценивать состояние трансформаторного оборудования без его отключения. Для перехода от системы планово-предупредительного ремонта и исключения быстроразвива-ющихся дефектов наиболее эффективными и предпочтительными являются автоматизированные методы диагностики.
Важность разработки и внедрения автоматизированных систем диагностики и мониторинга электротехнического оборудования под рабочим напряжением подчеркивается в документах, определяющих техническую политику крупнейших электросетевых сетевых компаний, таких как РусГидро и ФСК [4].
В настоящее время практикуемых методов диагностики недостаточно для полноценного предотвращения аварий на подстанциях. Удельная повреждаемость силовых трансформаторов мощностью 63 МВА и более, напряжением 110 кВ и выше составляет 0,45 % в год [2] для сетевых трансформаторов, 0,65 % в год для блочных трансформаторов тепловых электростанций. Треть таких повреждений сопровождается взрывами и пожарами [2]. Ввиду этого необходимы совершенствование существующих и разработка новых методов диагностики высоковольтного оборудования, которые позволят более эффективно обнаруживать дефекты и снижать процент повреждаемости трансформаторного оборудования. К числу перспективных методов можно отнести метод электромагнитного контроля, разработанный на базе ДВФУ под руководством Силина Н. В. [3].
Метод электромагнитного контроля
В общем случае электромагнитный метод контроля представляет собой исследование электромагнитных полей, которые создаются устройствами электроэнергетики как при нормальной ра-
боте, так и при наличии дефектов. Теоретические и экспериментальные исследования [6] показывают, что электромагнитные поля, создаваемые электроэнергетическими устройствами во внешней области пространства, отражают их внутреннее состояние. Внешнее электромагнитное поле оборудования, работающего в нормальном режиме, отличается от поля оборудования, в котором появились дефекты или изменились условия его эксплуатации. Очевидно, что внешние электромагнитные поля электроэнергетического оборудования можно рассматривать как информационные и использовать их для решения задач контроля и технического диагностирования с помощью внешних информационно-измерительных комплексов. В качестве диагностических параметров может быть использован ряд характеристик электромагнитного поля, например, модуль вектора или составляющие векторов напряженности электрического и магнитного полей, интегральные параметры, связанные с электромагнитным полем [5].
За последние годы в России и за рубежом разработано несколько вариантов методов электромагнитного контроля высоковольтного энергетического оборудования (ВВЭО), которые основаны на регистрации и обработке данных об электрических сигналах и электромагнитного излучения (ЭМИ), распространяющихся от оборудования, находящегося под рабочим напряжением. Мощное развитие информационно-измерительной и компьютерной техники позволяет постепенно преодолевать проблемы, связанные с качественной регистрацией сигналов, отстройкой от помех, обработкой и хранением больших объемов информации [5].
Новые возможности в области электромагнитного контроля появляются при анализе спектрального состава ЭМИ [1]. В [8] указывается, что по измеренным спектрам напряжений можно определить спектры источников излучений. Динамика изменения спектра ЭМИ связана с прогнозом технического состояния оборудования. Разработка методов электромагнитного контроля ВВЭО требует не только решения вопросов о спектральном составе источников электромагнитных возмущений, определения информативных частотных диапазонов, но и проведения исследования процессов излучения и распространения ЭМИ на электроэнергетическом объекте. Это обусловлено тем, что характер распределения собственного электромагнитного поля вблизи оборудования существенно влияет на выбор места расположения измерительной аппаратуры и частотных диапазонов, в которых проводится диагностирование. Кроме того, необходимо оце-
У,
дБ(Вт)/Гц
(4/5,1)1
(4/ш)з
Т21гр
МГц
У21гр
16
20
24
28
32
36 40
/, МГц
Рис. 1. (а): спектр бездефектного АТ. (б): спектр АТ с повышенной дефектностью
нить степень влияния железобетонных и других конструкций как отражающих поверхностей на характер распределения поля. Диаграммы распределения электромагнитного поля вблизи ВВЭО обычно имеют достаточно сложные конфигурации. Известно, что по мере удаления от источника излучения конфигурация поля становится значительно проще, при этом амплитуда напряженности поля убывает с увеличением расстояния, а поверхность, на которой располагаются взаимно ортогональные векторы электрического и магнитного полей, приближается к плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. При достаточном удалении от ВВЭО, в так называемой дальней зоне излученное поле приобретает свойства плоской волны [5].
Излучающие антенны вместе с изолированными частями проводов, расположенных внутри металлического корпуса оборудования, одновременно являются резонансными колебательными системами эквивалентных высокочастотных и сверхвысокочастотных генераторов квазигармонических колебаний, действующих на частотах, близких к резонансным частотам колебательных систем. При этом добротности колебательных систем, расположенных внутри металлического корпуса оборудования, могут существенно превосходить добротности излучающих антенн.
На подстанции 500 кВ «Дальневосточная» было проведено исследование двух автотрансформаторов с помощью метода электромагнитного контроля. Результаты показаны на рис. 1.
Можно увидеть, что рост дефектности оборудования сопровождается ростом мощности элек-
тромагнитного излучения. Метод электромагнитного контроля прошел апробацию на многих объектах подстанций, относящихся к Владивостокской группе подстанций, а также на территории Приморского края.
Основным критерием оценки технического состояния ВВЭО в методе электромагнитного контроля является коэффициент интегральной мощности, который вычисляется по формуле:
Ку = 101н -р- ,
у тт
где Ру — интегральная мощность электромагнитного излучения, зарегистрированного вблизи г-го трансформатора в пределах у-й частотной полосы на момент очередного обследования; Ру тп — минимальное зарегистрированное вблизи обследуемых трансформаторов значение интегральной мощности электромагнитного излучения в пределах у-й частотной полосы. В свою очередь резонансная частота зависит от геометрии вводов и добротности.
Разработка ПТК АОСТО СЭМИ
ПТК АОСТО СЭМИ — программно-технический комплекс для автоматизированной оценки состояния трансформаторного оборудования по собственному электромагнитному излучению. Данный комплекс позволяет контролировать состояние по методу электромагнитного контроля. В настоящее время в Дальневосточном федеральном университете ведутся испытания данного
Рис. 2. Структурная схема ПТКАОСТО СЭМИ
устройства, предназначением которого будет автоматизированный электромагнитный контроль, выполняемый системой связанных устройств, речь о которых пойдет ниже.
Направленные антенны улавливают электромагнитное излучение от высоковольтных вводов, которое изначально поступает на высоко -частотный коммутатор, который в свою очередь переключается между антеннами с интервалом в 5—10 минут. Далее необработанные данные поступают на анализатор спектра RSA306B, а после на компьютер SMARTUM E670, который произ-
Рис. 3. Фотография ПТК АОСТО СЭМИ
водит вычисления, обработанные данные отправляются на облачное хранение, где оператор имеет к ним прямой доступ.
Показания с датчиков температуры и влажности внутри и снаружи корпуса устройства поступают на Watchdog Rodos-11B и далее в память компьютера. Эта информация используется для климата контроля, а также для исследования зависимости ЭМИ от температуры и влажности.
Полученные результаты
В текущем исследовании с помощью ПТК АОСТО СЭМИ были получены спектры мощности электромагнитного излучения, с помощью которых отслеживалось состояние технического оборудования на ПС 220 кВ «Широкая», ПС 220 кВ «Уссурийск-2» в период с 2019 по 2021 г.
На ПС 220 кВ «Широкая» было проведено исследование автотрансформатора с помощью метода электромагнитного контроля. Результаты показаны на рисунках 4, 5, 6.
В период с 2019 по 2021 г. автотрансформатор на ПС 220 кВ «Широкая» ежегодно проходил плановый ремонт, данные которого приведены в таблице 1.
Производя сравнение дат производимых работ с полученными спектрами электромагнитного излучения, можно увидеть, что рост дефектности оборудования сопровождается ростом мощности ЭМИ.
Аналогичным случаем является ситуация на ПС 220 кВ «Уссурийск-2». Результаты измерений представлены в рис. 7, 8.
В период с 2019 по 2020 г. автотрансформатор на ПС 220 кВ «Уссурийск-2» ежегодно проходил
-190
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195
Частота, МГц
Рис. 4. Спектр мощности электромагнитного излучения автотрансформатора на ПС 220 кВ «Широкая», апрель 2019 г.
-165
я
«¡5
£ -170 и
-175
8 -180
f -185 8 и и
-190
¡¡¡¡¡¡lililí
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195
Частота, МГц
Рис. 5. Спектр мощности электромагнитного излучения автотрансформатора на ПС 220 кВ «Широкая», октябрь 2020 г.
-165
| -170 н
| —175 §
§ "180 я
& -185
U
-190
lili
15 30 45 60 75 90 105 120
Частота, МГц
135
150 165 180 195
Рис. 6. Спектр мощности электромагнитного излучения автотрансформатора на ПС 220 кВ «Широкая», июнь 2021 г.
Таблица 1
Содержание работ, производимых на ПС 220 кВ «Широкая»
Объект, оборудование Дата обследования Коэффициент интегральной мощности Период ремонта Содержание работ
ПС 220 кВ Широкая. АТ-2 06.04.2019 17.10.2020 14.06.2021 18,9 1,5 6,7 17.06.19-21.06.19 27.07.20-31.07.20 05.04.21-09.04.21 Текущий ремонт АТ-2 Текущий ремонт с расшиновкой, диагностика АТ-2 Текущий ремонт АТ-2 с заменой силикагеля, проверкой пленочной защиты, дегазацией масла
Рис. 7. Спектр мощности электромагнитного излучения автотрансформатора на ПС 220 кВ «Уссурийск-2», март 2019 г.
15 30 45 60
90 105 120 135 150 165 180 195 Частота, МГц
Рис. 8. Спектр мощности электромагнитного излучения автотрансформатора на ПС 220 кВ «Уссурийск-2», октябрь 2020 г.
Таблица 2
Содержание работ, производимых на ПС 220 кВ «Уссурийск-2»
Объект, оборудование Дата обследования Коэффициент интегральной мощности Период ремонта Содержание работ
ПС 220 кВ Уссурийск-2. АТ-1 25.03.2019 16.10.2020 42,3 8,1 14.05.19-18.05.19 13.07.20-24.07.20 Текущий ремонт АТ-1. Диагностика АТ-1 Текущий ремонт с ремонтом вводов АТ-1. Диагностика АТ-1
£ -170 m
£ -180
-190
-200
-210
_ -ft bif 5 Нз At ■— As _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
V ч t г V » W г s = —
— и — И И И — -Е! ч К -j. г i 5 ij о rv и FJ «V щ/ А f ч да fx
— — — — — — — - V V «Г — — — а
— — — — — — — - — — — — — — — — —
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195
Частота, МГц
Рис. 9. Спектр мощности электромагнитного излучения фазы А автотрансформатора на ПС 500 кВ «Дальневосточная»,
март 2019 г.
н
m
■а
í -180
0
¡-190 S
1 -200
5 -2101 I I II II II II II II II II II II II II II II II l-LL
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195
Частота, МГц
Рис. 10. Спектр мощности электромагнитного излучения фазы А автотрансформатора на ПС 500 кВ «Дальневосточная»,
июнь 2020 г.
WI
Лц
_Уу
(3 -160
н в
| -180 а
2 -190
о ____________________________________
в _210 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195
Частота, МГц
Рис. 11. Спектр мощности электромагнитного излучения фазы А автотрансформатора на ПС 500 кВ «Дальневосточная»,
май 2021 г.
Таблица 3
Содержание работ, производимых на ПС 500 кВ «Дальневосточная»
Л
= 3ÉÉÜJ
ill
Объект, оборудование Дата обследования Коэффициент интегральной мощности Период ремонта Содержание работ
ПС 500 кВ Дальневосточная. АТ-1 фаза А 25.03.2019 27.06.2020 01.05.2021 20,1 0,5 50,6 01.10.19-18.10.19 31.05.20-11.06.20 23.08.21-28.08.21 Текущий ремонт АТ-1с дегазацией м асла. Расшиновка и диагностика АТ-1 Текущий ремонт АТ-1 с дегазацией трансформаторного масла в баке Текущий ремонт (с проведением расшиновки и диагностики) АТ-1
плановый ремонт, данные которых приведены в табл. 2.
Также в процессе работы была исследована фаза А автотрансформатора ПС 500 кВ «Дальневосточная». Результаты представлены в рис. 9, 10, 11.
В период с 2019 по 2021 г. автотрансформатор на ПС 500 кВ «Дальневосточная» ежегодно про-
ходил плановый ремонт, данные которых приведены в табл. 3.
Производя сравнение дат производимых работ с полученными спектрами электромагнитного излучения, можно увидеть, что рост дефектности оборудования сопровождается ростом мощности электромагнитного излучения.
Список литературы
1. Киншт Н. В., Кац М. А. Диагностика точечных источников электромагнитных шумов // Электричество. — 1999. — № 4. — С. 40—42.
2. Львов М. Ю. Анализ повреждаемости силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше // Электричество. — 2010. — № 2. — С. 27—31.
3. Патент на изобретение № 2749338 Российская Федерация, МПК 00№ 31/00 (2006.01) заявл. 21.10.2020, опубл.08.06.2021, бюл. № 16.
4. Положение о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС». — М., 2011. — 147 с.
5. Применение прогрессивных методов диагностики высоковольтного энергетического оборудования / Н. И. Игнатьев [и др.] // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. — 2015. — № 2. — С. 92—101.
6. Силин Н. В. Электромагнитный контроль электротехнического оборудования // Вестник Дальневосточного государственного технического университета. — 2010. — № 2 (4).
7. Стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации на период до 2035 года [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://minenergo.gov.ru/node/18940 (Дата обращения: 10.04.2022).
8. Теоретические основы электротехники: в 3 т. / К. С. Демирчян [и др.]. — СПб.: Питер, 2003. — Т. 3. — 377 с.
