CC BY
3
УДК 681.518.54
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-335-336
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЕФЕКТОВ АКТИВНОЙ ЧАСТИ
СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
О.В. Архипова, В.З. Ковалев, Р.В. Сайфуллин
Современное построение структуры электроэнергетических систем основывается на принципах обеспечения запаса мощности, наличия маневрового фонда силового оборудования и способности к расширению потребления электроэнергии. Однако, несмотря на это, актуальной проблемой остается обеспечение качественного и надежного электроснабжения, особенно в контексте эксплуатации силовых трансформаторов (СТ). В России эксплуатируется огромное количество СТ, и их отказы могут привести к серьезным финансовым потерям и нарушениям в электроснабжении. Особенностями отказов являются проблемы с активной частью трансформаторов, особенно витковые замыкания обмоток. Для решения этой проблемы предлагается создание системы диагностики и мониторинга силовых трансформаторов, сосредоточенной на диагностике активной части, в частности, витко-вых замыканий. Методы мониторинга и диагностики включают химический анализ масла, тепловые характеристики, вибрационные и акустические параметры, а также современные методы обработки данных и реакцию на электромагнитные воздействия. Эти методы, включая мониторинг электрических величин, представляют собой эффективные средства раннего обнаружения дефектов трансформаторов, позволяя предотвратить серьезные аварии и минимизировать финансовые потери.
Ключевые слова: электроэнергетическая система, трансформаторы, надежность, отказы, диагностика, мониторинг, техническое состояние.
Принятое в настоящее время построение структуры электроэнергетической системы базируется на принципах наличия запаса мощности, наличия маневрового фонда силового оборудования, обеспечения возможности роста потребления электрической энергии, как в сфере жилищно-коммунального комплекса, так и в сфере реального производства. В результате, к настоящему времени, «общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, превышает генераторную мощность в 6-7 раз» [1]. Только в России эксплуатируется свыше четырех миллионов силовых трансформаторов (СТ), которые в 2023 году «передали потребителю 1 121,6 млрд кВт-ч», что на 2,4 % больше чем в предшествующем [2]. Количественно преобладают трансформаторы мощностью 25-630 кВА, напряжением 610 кВ, что объясняется структурой непосредственных потребителей электроэнергии [1].
Очевидно, что задача снабжения электрической энергией потребителя, при условии обеспечения качества, надежности и устойчивости, в значительной мере определяется состоянием парка эксплуатируемых трансформаторов. Отказы трансформаторов приводят не только к необходимости существенных финансовых затрат на ремонтные работы собственно трансформатора, но и к значимым финансовым потерям из-за недоотпуска продукции.
Оценка параметра потока отказов для СТ, приведенная в работе [3], составляет величину (м = 0,016 год-1 при среднем времени восстановления ТВ = 50 часов. При этом параметр потока плановых отключений на техническое обслуживание (ТО) составляет то1=0,25 год-1, при средней продолжительности плановых отключений ТПО = 6 часов [3]. Анализ технического состояния СТ в сельских электрических сетях 10/0,4 кВ приводит к оценке потока отказов юо1 = 0,075 год-1, для этой группы силовых трансформаторов [4], что коррелируется с оценкой = 0,09 год-1, приведенной в работе [5] и юо1 = 0,08 год-1, данной в работе [6]. Одновременно отмечается, что более половины плановых ТО проводятся «без фактической необходимости» [7], в свою очередь это может вызвать снижение надежности «из-за этапа приработки замененных компонент или появления дефекта после ТО» [7].
Анализ причин, вызвавших отказ СТ показывает, что наибольшее количество связано с активной частью: витковые замыкания обмоток - 50-55 % и межлистовые замыкания в магнитопроводе 2,4 % [4, 5, 8, 9].
Основная часть. Особенность витковых замыканий (ВКЗ) обмоток СТ состоит в том, что на длительном начальном временном этапе они не сказываются на штатных режимах работы потребителя электрической энергии, рост тока незначителен и средства релейной защиты не срабатывают. Диагностика ВКЗ в этот период затруднена [10-14]. Дальнейшее развитие ВКЗ вовлекает значительное количество витков обмотки во внутреннее короткое замыкание и приводит к существенным повреждениям СТ. Последующий ремонт поврежденного трансформатора может потребовать финансирования достигающего 60-65 % оптовой стоимости СТ [5].
Кроме того, отказы СТ в сельских электрических сетях характеризуются зависимостями от количества и вида осадков, грозовых часов, влажности воздуха и других стохастических процессов [4], что существенно затрудняет прогнозирование и характер развития данного вида дефектов.
Затраты на создание систем диагностики-мониторинга силового трансформатора (СД-М), по данным [15], составляют до 2-3 % стоимости самого СТ. Учитывая, отмеченное выше количество находящихся в эксплуатации более четырех миллионов СТ [1], суммарные затраты на создание систем диагностики-мониторинга СТ могут достичь весьма значимых величин.
Следовательно, становится актуальной задача построения системы мониторинга и диагностики СТ, которая будет способна дать количественную оценку технического состояния СТ в целом или его наиболее уязвимой части, в данном случае - активной части СТ, которая включает в себя обмотки трансформатора и магнитопровод [8,10]. Построение СД-М ориентированной на диагностику состояния активной части трансформатора, и прежде всего ВКЗ, позволит существенно снизить затраты на мониторинг и диагностику, при сохранении достаточной степени работоспособности и надежности системы электроснабжения. Методы мониторинга и диагностики вит-ковых замыканий обмоток силового трансформатора принято делить на следующие группы:
- мониторинг и диагностика по химическому изменению состава и характеристик масла [16-18];
- мониторинг и диагностика по тепловым характеристикам работающего трансформатора [19,20];
- мониторинг и диагностика по вибрационным и акустическим характеристикам работающего трансформатора, включая частичные разряды [21-23];
- мониторинг и диагностика по совокупности анализируемых характеристик, с применение современных нейро-сетевых методов обработки данных [24-26];
- мониторинг и диагностика по реакции на искусственные и естественные электромагнитные воздействия
[27-31].
Заключение и выводы. Наименее затратен последний из вышеуказанных вид мониторинга и диагностики витковых коротких замыканий обмоток трансформатора - мониторинг и диагностика по реакции на искусственные и естественные электромагнитные воздействия. Это обусловлено: хорошо развитой теорией стационарных, квазистационарных и переходных электромагнитных процессов в трансформаторах [14,32,33], высокой степенью совпадения реальных электромагнитных процессов с аналогичными процессами описываемыми их цифровыми двойниками [34-37]; относительной легкостью масштабирования, тиражирования и адаптации к конкретной номенклатуре эксплуатируемого трансформаторного парка [38]; относительной дешевизной материальных носителей реализаций методик мониторинга и диагностики (микрокомпьютеры); возможностью использования в качестве измерительной аппаратуры штатных измерительных трансформаторов и другой штатной аппаратуры и измерительных каналов [39,40].
Отмеченные обстоятельства хорошо коррелируются с работой [41], где проанализировано более 40 патентов и 60 публикаций и отмечается, что в методах диагностики силового оборудования электростанций «наиболее часто используются измерения электрических величин», причем это относится, как к анализируемым в указанной работе патентным источникам, так и к научной литературе.
Список литературы
1. Костинский, С. С. Обзор состояния отрасли трансформаторного производства и тенденций развития конструкции силовых трансформаторов / С. С. Костинский // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2018. - Т. 20, № 1-2. - С. 14-32.
2. Краткий отчет о функционировании ЕЭС России в 2023 году. [Электронный ресурс] URL: https://www.sops.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/2024/ups rep2023.pdf (дата обращения: 08.02.2024).
3. Виноградова А. В. Повышение надёжности трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ заменой одного трансформатора на два / А.В. Виноградова, А.В. Виноградов, Д.В. Конкин // Агротехника и энергообеспечение. 2023. № 3(40). С. 65-75.
4. Канюгин О.И. Стратегия обслуживания силовых трансформаторов в сельских электрических сетях 10 кВ по результатам диагностирования / О.И. Канюгин, Н.Л. Макарова // Вестник Чувашского университета. № 3. С. 58-67.
5. Белов А.В. Выявление признаков межвитковых замыканий в обмотках потребительских силовых трансформаторов / А. В. Белов, Ю. П. Ильин, Р. В. Банин // АПК России. 2017. Т. 24, № 4. С. 970-979.
6. Лаврин М.С. Обзор отказов силовых трансформаторов в распределительных сетях 10/0,4 кВ / М. С. Лаврин // Тенденции развития науки и образования. 2022. № 92-12. С. 79-81. DOI 10.18411/trnio-12-2022-566.
7. Грищенко Д.Н. Алгоритм автоматизированного мониторинга технического состояния силовых трансформаторов распределительных систем электроснабжения / Д. Н. Грищенко, В. В. Лозовский, Е. Н. Штрекер // ИТ-Стандарт. 2022. № 4(33). С. 5-10.
8. Лапшин Е. Система мониторинга и диагностики силовых трансформаторов и КРУЭ на цифровой подстанции "Медведевская" / Е. Лапшин, А. Селиханович, И. Афонин // Электроэнергия. Передача и распределение. 2018. № S2(9). С. 42-43.
9. Рыбаков Л.М. К вопросу однофазных повреждений обмоток силовых трансформаторов в системе «распределительная сеть - трансформатор» и разработка средства предотвращения их отказов / Л.М. Рыбаков, С.В. Ласточкин, О.И. Канюгин // Вестник Чувашского университета. 2019. № 3. С. 206-218.
10. Козменков О.Н. Методы диагностики технического состояния силовых трансформаторов / О. Н. Коз-менков, А. Е. Калаев // Наука и образование транспорту. 2016. № 1. С. 262-265.
11. Белянин, А.А. Исследование чувствительности дифференциальной токовой защиты трансформатора к сложным видам повреждений / А. А. Белянин, А. Н. Маслов, И. В. Смирнова, М. Ю. Широкин // Вестник Чувашского университета. 2019. № 3. С. 29-35.
12. Козубай И. Разработка технических средств и метода диагностики повреждения обмоток силового масляного трансформатора 10/0,4 кВ / И. Козубай, У. А. Калматов, Т. С. Борукеев, О. С. Суйумбаев // Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета. 2023. Т. 23, № 4. С. 21-28.
13. Галушко, В. Н. Повышение надежности трансформаторов с помощью комплексного анализа данных приборного учета при межвитковых коротких замыканиях / В. Н. Галушко, И. Л. Громыко, С. И. Зайцев // Вестник Белорусского государственного университета транспорта: наука и транспорт. 2021. № 1(42). С. 85-89.
14. Бутырин, П. А. Цифровизация и аналитика в электротехнике. Цифровые двойники трансформаторов / П. А. Бутырин, М. Е. Алпатов // Электричество. 2021. № 10. С. 4-10. DOI 10.24160/0013-5380-2021-10-4-10.
15. Андреев К.А. Проблемы устройств мониторинга и диагностики трансформаторов под нагрузкой / К. А. Андреев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2012. - № 1. - С. 380-388.
16. Брякин И.В. Система мониторинга технического состояния силового трансформатора по состоянию масла / И.В. Брякин, И.В. Бочкарев // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №1 (53). С. 34-46.
17. Давиденко, И. В. Идентификация дефектов трансформаторов по анализу газов, растворенных в масле / И. В. Давиденко, К. В. Овчинников // Электротехника. - 2019. - № 4. - С. 48-54.
18. Дагаева, М. В. Экспертная система диагностики маслонаполненных силовых трансформаторов на основе нечеткой логики / М. В. Дагаева, Д. В. Катасева, А. С. Катасев // Вестник НЦБЖД. - 2018. - № 3(37). - С. 138147.
19. Шевченко, А. М. Методика инфракрасной диагностики силовых трансформаторов / А. М. Шевченко // Уральский научный вестник. - 2023. - Т. 7, № 3. - С. 161-167.
20. Аншаков, В. С. Исследование эффективности внедрения методики оценки технического состояния силовых трансформаторов на основе инфракрасного излучения / В. С. Аншаков, М. В. Киорсак // Вестник Приднестровского университета. Серия: Физико-математические и технические науки. Экономика и управление. - 2023. -
336
№ 3(75). - С. 143-152.
21. Басенко, В.Р. Усовершенствованный метод вибрационного контроля технического состояния силового трансформатора, основанный на фрактальном анализе амплитудно-временной характеристики / В. Р. Басенко, И. В. Ившин, О. В. Владимиров, М. Ф. Низамиев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2023.
- Т. 25, № 2. - С. 124-136.
22. Басенко, В.Р. 3D модель силового трансформатора для исследования его технического состояния по вибрационным параметрам / В. Р. Басенко, М. Ф. Низамиев, И. В. Ившин, О. В. Владимиров // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2022. - Т. 24, № 3. - С. 130-143.
23. Хренников, А. Ю. Силовые маслонаполненные трансформаторы: акустические испытания, корректированный уровень звуковой мощности, борьба с шумами / А. Ю. Хренников, Ф. А. Лаврентьев, И. А. Шкуропат // Релейная защита и автоматизация. - 2022. - № 3(48). - С. 58-63.
24. Колдаев, А. И. Применение адаптивной системы нейро-нечеткого вывода для диагностики силовых трансформаторов / А. И. Колдаев, Б. М. Шебзухова // Грозненский естественнонаучный бюллетень. - 2021. - Т. 6, № 2(24). - С. 75-80.
25. Алюнов, А. Н. Диагностика электрических частей силовых трансформаторов с применением методов машинного обучения / А. Н. Алюнов // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. - 2023. - Т. 25, № 5. - С. 23-33. -Б01 10.18127/)19998554-202305-04.
26. Хальясмаа, А. И. Применение технологии цифрового двойника для анализа и прогнозирования состояния трансформаторного оборудования / А. И. Хальясмаа, И. С. Ревенков, А. В. Сидорова // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2022. - Т. 14, № 3(55). - С. 99-113.
27. Исаев, Ю. Н. Расчет частотной зависимости элементов схемы замещения обмоток силового трансформатора при его диагностике коротким импульсом / Ю. Н. Исаев, О. В. Васильева // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2014. - № 1. - С. 60-66.
28. Исаев, Ю.Н. Математическая модель трансформатора при его диагностике коротким импульсом / Ю. Н. Исаев, В. А. Колчанова, Г. А. Елгина, А. В. Лавринович // Современные проблемы науки и образования. - 2013. -№ 6. - С. 6.
29. Степанов В.М. Анализ конструктивных схем дифференциальной защиты силовых трансформаторов от короткого замыкания / В. М. Степанов, Н. А. Свистунов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 12-1. С. 104-109. ЕБЫ 7Х071У.
30. Гайнутдинов Р.Р. Методология исследования электромагнитной стойкости технических систем при внешних электромагнитных воздействиях от нескольких источников / Р. Р. Гайнутдинов, С. Ф. Чермошенцев // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2023. № 1. С. 135-141.
31. Ярымбаш, Д.С. Моделирование электромагнитных процессов при работе силовых трансформаторов под нагрузкой и в режиме холостого хода / Д. С. Ярымбаш, М. И. Коцур, С. Т. Ярымбаш, И. М. Килимник // Проблемы региональной энергетики. - 2020. - № 1(45). - С. 1-13. - Б01 10.5281^епо<1о.3713396.
32. Исаев, Ю. Н. Расчет параметров распределенной схемы замещения обмоток трансформатора с учетом влияния скин-эффекта / Ю. Н. Исаев, Е. В. Старцева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2015. - Т. 326, № 9. - С. 47-55.
33. Климова, Т. Г. Оценка параметров схемы замещения двухобмоточного трансформатора на базе синхронизированных векторных измерений / Т. Г. Климова, В. С. Смирнов // Интеллектуальная электротехника. - 2023.
- № 1(21). - С. 102-117.
34. Снитько, И.С. Разработка модели переходных режимов с учетом взаимной индуктивности полей рассеяния для реализации цифрового двойника трансформатора / И. С. Снитько, А. И. Тихонов, А. В. Стулов, В. Е. Ми-зонов // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2021. - № 4. - С. 47-56.
35. Пехота, А. Н. Технология использования сверточных нейронных сетей при диагностике состояния трансформаторов / А. Н. Пехота, В. Н. Галушко, И. Л. Громыко // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С. Фундаментальные науки. - 2021. - № 12. - С. 63-69.
36. Тихонов, А.И. Разработка 2D-моделей магнитного поля для реализации технологии цифровых двойников и порождающего проектирования силовых трансформаторов / А. И. Тихонов, А. В. Стулов, И. С. Снитько, А. В. Подобный // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2020. - № 3. - С. 32-43.
37. Ен, Я. Оценка состояния силового трансформатора на основе цифрового двойника / Я. Ен, Ч. Чжу, Я. Цзин [и др.] // Энергоэксперт. - 2023. - № 4(88). - С. 64-69.
38. Литвинов, И. И. Исследование возможности применения амплитудо-фазного анализа трансформатора для диагностики / И. И. Литвинов, О. В. Танфильев, И. Н. Бузмаков // Ползуновский альманах. - 2020. - № 1. - С. 134-137.
39. Поляков, В. С. Онлайн диагностика активной части силовых трансформаторов / В. С. Поляков // Материаловедение. Энергетика. - 2021. - Т. 27, № 3. - С. 63-76.
40. Мустафин, Р.Г. Обнаружения витковых замыканий обмоток трансформаторов по параметрам переходного процесса // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2019. Т. 21, № 3. - С. 14-23
41. Хлебцов, А. П. Развитие методов и устройств диагностики силового электрооборудования трансформаторных подстанций / А. П. Хлебцов, Л. Х. Зайнутдинова, А. Н. Шилин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2020. - Т. 16, № 3. - С. 14-27.
Архипова Ольга Владимировна, старший преподаватель, arkh82@mail.гм, Россия, Ханты-Мансийск, Ханты-Мансийск Югорский государственный университет,
Ковалев Владимир Захарович, д-р техн. наук, профессор, vz [email protected], Россия, Ханты-Мансийск, Югорский государственный университет,
Сайфуллин Руслан Вадикович, аспирант, [email protected], Россия, Ханты-Мансийск, Югорский государственный университет
MODERN METHODS AND ALGORITHMS FOR IDENTIFYING DEFECTS IN THE ACTIVE PART OF PO WER
TRANSFORMERS
O.V. Arkhipova, V.Z. Kovalev, R.V. Saifullin
The modern design of electric power systems is based on principles of ensuring power reserves, availability of maneuvering reserves of power equipment, and the ability to expand electricity consumption. However, despite this, ensuring high-quality and reliable power supply remains an ongoing issue, especially concerning the operation of power transformers (PTs). A significant number of PTs are in operation in Russia, and their failures can lead to serious financial losses and disruptions in power supply. The peculiarities of failures include issues with the active part of the transformers, particularly winding short circuits. To address this problem, the creation of a diagnostic and monitoring system for power transformers focused on diagnosing the active part, particularly winding short circuits, is proposed. Monitoring and diagnostic methods include chemical analysis of oil, thermal characteristics, vibrational and acoustic parameters, as well as modern data processing methods and reactions to electromagnetic influences. These methods, including monitoring electrical quantities, represent effective means of early defect detection in transformers, allowing for the prevention of serious accidents and minimization of financial losses.
Key words: electric power system, transformers, reliability, failures, diagnostics, monitoring, technical condition.
Arkhipova Olga Vladimirovna, senior lecturer, arkh82@mail. ru, Russia, Khanty-Mansiysk, Yugra State University,
Kovalev Vladimir Zakharovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Khanty-Mansiysk, Yugra State University,
Sayfullin Ruslan Vadikovich, postgraduate, saifullinrv96@gmail. com, Russia, Khanty-Mansiysk, Yugra State
University
УДК 621.3.079
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-338-339
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫМ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫМ НАСОСОМ С ВЫЧИСЛИТЕЛЕМ ДИНАМИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
К.М. Чубаров, И.А. Косорлуков, А.В. Стариков, В.Н. Козловский
Статья посвящена поиску аналитической зависимости динамического уровня жидкости в нефтяной скважине от частоты и действующих значений фазного тока и напряжения на выходе станции управления погружным насосом. Предложена система управления центробежным насосом с погружным асинхронным двигателем с вычислителем динамического уровня жидкости, позволяющая осуществить автоматический вывод нефтяной скважины на стационарный режим работы. Представлены результаты компьютерного моделирования, подтверждающие, что предложенная система позволяет стабилизировать динамический уровень жидкости в нефтяной скважине без применения специализированного датчика.
Ключевые слова: погружной электроцентробежный насос, нефтяная скважина, динамический уровень жидкости, станция управления, преобразователь частоты.
Введение. Поддержание динамического уровня жидкости в скважине при механизированной добыче нефти является важной технической задачей, поскольку позволяет обеспечить длительный установившийся режим функционирования скважины с требуемым дебитом. Для решения этой задачи используют станции управления погружным оборудованием, оснащенные частотными преобразователями и контроллерами, с помощью которых реализуются замкнутые по датчику динамического уровня жидкости автоматические системы. Для измерения динамического уровня можно применять эхолоты, устанавливаемые на устье скважины [1, 2]. Но в нефтяной отрасли наибольшее распространение нашли термоманометрические системы, позволяющие контролировать динамический уровень посредством измерения давления жидкости на приеме насоса [3]. В обоих случаях контроль динамического уровня жидкости в скважине требует применения дорогостоящего оборудования. С другой стороны, станция управления погружным насосом имеет в своем составе программируемый контроллер, имеющий, как правило, большие вычислительные возможности. Эти возможности иногда используют для косвенного определения динамического уровня жидкости в скважине, например, посредством наблюдателя, использующего при вычислении информацию датчика расхода, установленного на устье скважины. [4, 5].
Однако, станции управления погружными центробежным насосами с преобразователями частоты, как правило, оснащены датчиками тока и напряжения, позволяющими контролировать режимы работы погружного электродвигателя. В связи с этим целью работы является поиск аналитической зависимости, позволяющей вычислить динамический уровень жидкости в нефтяной скважине по результатам измерения фазного тока и напряжения на выходе станции управления погружным насосом и разработка системы стабилизации динамического уровня жидкости в скважине без использования датчика динамического уровня.
