CC BY
5
УДК 621.314.212: 311.15
М. А. Волчанина
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Аннотация. В статье представлены статистические исследования сигналов акустического контроля при диагностировании силовых трансформаторов системы электроснабжения железных дорог. Статистическая обработка данных акустического контроля производилась на примере трансформаторов с различным уровнем состояния изоляции. Приведены сравнения гистограмм экспериментального распределения амплитуд и доминантных частот сигналов с ближайшими теоретическими законами распределения, выполненными в программе STATISTICA по данным контроля, полученным из автоматизированной системы СЦАД-16 (система цифровой акустической диагностики).
Проведенные исследования показали тесную корреляцию дефектов, зарегистрированных акустическим методом, с распределением сигналов в виде законов распределения случайных величин. Показано, что для силовых трансформаторов с механическими колебаниями как при прохождении поезда, так и на холостом ходу распределение амплитуд и доминантных частот зарегистрированных сигналов соответствует равномерному закону. Распределение амплитуд и доминантных частот не является сосредоточенным вокруг определённого среднего значения. Для силовых трансформаторов, содержащих частичные разряды, причиной которых является ухудшение изоляционных свойств обмоток, находящихся под действием высокого напряжения, наилучшее приближение как амплитуд, так и доминантных частот показало логнормальное распределение. Сигналы являются сосредоточенными вокруг характерно выраженного среднего значения. При прохождении поезда акустическая система регистрирует как высокочастотные сигналы от частичных разрядов (ЧР), так и низкочастотные сигналы от колебаний корпуса. В законе распределения присутствуют две составляющие - равномерной и лог-нормальной плотностей распределения. Таким образом, по виду распределения зарегистрированных сигналов, их амплитуде и доминантной частоте можно определить наличие дефектного состояния изоляции силовых трансформаторов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90231.
Ключевые слова: силовые трансформаторы, акустический метод, частичные разряды, диагностирование изоляции, статистические исследования, параметры сигналов.
Maria A. Volchanina
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
STATISTICAL INVESTIGATIONS OF ACOUSTIC CONTROL SIGNALS IN DIAGNOSTIC OF POWER TRANSFORMERS
Abstract. The article presents statistical studies of acoustic control signals when diagnosing power transformers of the railway power supply system. Statistical processing of acoustic monitoring data was carried out on the example of transformers with different levels of insulation condition. Comparisons of histograms of the experimental distribution of amplitudes and dominant frequencies of signals with the nearest theoretical distribution laws, performed in the STATISTICA program according to control data obtained from the automated system.
The conducted studies have shown a close correlation of defects registered by the acoustic method with the distribution of signals in the form of laws of distribution of random variables. It is shown that for power transformers with mechanical oscillations, both during the passage of the train and at idle, the distribution of amplitudes and dominant frequencies of the recorded signals corresponds to a uniform law. The distribution of amplitudes and dominant frequencies is not centered around a certain average value. For power transformers containing partial discharges, the cause of which is the deterioration of the insulating properties of the windings under the influence of high voltage, the best approximation, both amplitudes and dominant frequencies, showed the Lognormal distribution. The signals are centered around a characteristic mean value. When the train passes, the acoustic system registers both high-frequency signals from the PD and low-frequency signals from body vibrations. There are two components in the distribution law - uniform and lognormal distribution densities. Thus, by the type of distribution of the recorded signals, their amplitude and dominant frequency, it is possible to determine the presence of a defective state of the insulation ofpower transformers.
The study was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research within the framework of the scientific project No. 20-38-90231.
Keywords: power transformers, acoustic method, partial discharges, insulation diagnostics, statistical studies, signal parameters.
При проведении диагностирования силовых трансформаторов инструментальными методами актуальным остается вопрос достоверной интерпретации регистрируемых сигналов. Кроме того, важным является определение различных дефектов по регистрируемым сигналам. В работе рассмотрены вопросы обработки сигналов акустического контроля силовых трансформаторов. Предложено идентифицировать законы распределения случайных величин, к которым можно отнести параметры регистрируемых сигналов.
Статистическая обработка данных акустического контроля выполнена на примере трансформаторов с различным состоянием изоляции. Исследования проводились на вводном трансформаторе ТМПУ мощностью 16 МВ-А на тяговой подстанции в нормальном техническом сос-тоянии. Измерения, выполненные при помощи системы акустического контроля, показали отсутствие частичных разрядов в трансформаторе как при прохождении поезда, так и на хо-лос-том ходу. Дефектов изоляции, сопровождающихся возникновением частичных разрядов, на высоком напряжении не обнаружено [1].
Для проверки работоспособности установки СЦАД-16 производили возбуждение акустических волн при помощи стука металлическим бойком по корпусу трансформатора с разных сторон от места установки измерительных преобразователей. Четыре измерительных преобразователя (датчика) устанавливались на наружные стенки трансформатора, образуя собой акустическую антенну, как показано на рисунке 1. По разности времен прихода сигнала возможно определение координат источника частичных разрядов (ЧР).
Установка СЦАД-16 представляет собой измерительную плату, размещенную в корпусе персонального компьютера, или отдельный прибор, к которому подключаются четыре акустических датчика (с возможностью увеличения количества датчиков до 16). Длина соединительных кабелей датчиков составляет 10 м (максимальная длина - 100 м) [2].
Рисунок 1- Расположение датчиков на корпусе трансформатора
На рисунках 2 - 5 показаны режимы работы программы «Суммарный счет», «Форма сигнала», «Гистограмма амплитуд сигналов» и «Гистограмма доминантных частот сигналов» при воздействии боека слева относительно установленных датчиков. Постукивание проводилось в течение 30 с, как это показано на рисунке 2, где по горизонтальной оси - время в секундах, по вертикальной оси - накопленное количество сигналов.
На рисунке 3 приведена характерная форма сигнала при постукивании. Частота сигнала невысокая, а размах амплитуды большой - от 244 до 1265 ед. аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (от 45,6 до 59,9 дБ). При постукивании по центру стенки бака силового трансформатора должны выдавать сигнал все четыре датчика, однако в опыте сигнала с третьего и четвертого датчиков не наблюдалось (34 ед. АЦП) по причине плохого контакта с корпусом. На рисунке 4 представлена гистограмма распределения максимальных амплитуд всех 100 зарегистрированных событий. По горизонтальной оси представлены амплитуды сигналов в
децибелах, а по вертикальной - число амплитуд данного уровня. При этом общее число событий по столбцам равняется 100.
Постукивание слева от датчиков проводилось в течение 30 с, как это показано на рисунке 2. Стук производился с двумя паузами по 3 с, во время которых сигналы отсутствовали.
СДОДЬ. ннтпвьисть 3.1г<1 ссСЛз»
ЗЙ' ¥1
-Г
/
Г
Л г!
к,-"
X
У
Л' Г
34 Л | в № М К 1Э по и И 15 00 и о» г» л» л 00 а он гз во г?'*
птаптд-Л:
;кча: НйРпузип
ав
I встощйЕвдвиенг
ц-тт шш п^Г'"1'1 тт:
ДИАПШО!- СЛЗЫТЧЙ1 ча<|а.и? стра-ш.| сэЕытш
яьзС сэзьп ш1 ВШЗПЙКН СМаТА*
Рисунок 2 - Суммарный счет сигналов «Стук слева»
На рисунке 3 отмечается срабатывание первого и второго датчиков, до которых акустическая волна доходит раньше, при этом третий и четвертый датчики не выдают сигнала, поскольку время длительности записи сигнала после события меньше времени прихода до них звуковой волны.
Рисунок 3 - Форма сигнала «Стук слева»
На рисунке 4 показана гистограмма амплитуд сигналов при стуке слева. Амплитуды сигналов изменяются от 26 до 64 дБ.
Рисунок 4 - Гистограмма амплитуд сигналов «Стук слева»
На рисунке 5 приведена гистограмма доминантных частот зарегистрированных сигналов. Из рисунка следует, что частоты зарегистрированных импульсов распределены относительно равномерно в низком диапазоне частот используемых преобразователей. Нет характерных частот соответствующих частичным разрядам.
20
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 83
(Хи квадрат равен 55,1), что подтверждается рисунком 6, выполненным в программе STATISTICA по данным контроля, полученным из автоматизированной системы СЦАД-16 [3].
Перемен.: Пер1, Распред.:Равномерное Критерий Хи-квадрат = 55,12026, сс = 16 (скорр.) , p = 0,00000
оо см со
аэ см со о" ю" 05
оо см со
оо см со
оо см со
т-СОО-^ОСОООСМСОт-ЮО
о^пчюкюо^очо смсмсмсмсмсмсмсососососо
Группа (верхние границы)
Рисунок 6 - Сравнение гистограммы доминантных частот с равномерным законом распределения
при наличии механических колебаний
Акустический контроль на предмет наличия частичных разрядов выполнен на силовом трансформаторе тяговой подстанции типа ТДРУНГ мощностью 20 МВ-А, который постоянно находится в работе. На силовом трансформаторе выявлены частичные разряды, причиной которых является ухудшение изоляционных свойств обмоток, находящихся под действием высокого напряжения. Измерения выполнялись со станционной (северной), восточной, южной сторон при прохождении поезда и на холостом ходу. Всего выполнено 12 измерений со временем записи сигналов от 30 до 60 с.
Первое измерение выполнялось с восточной стороны трансформатора тяговой подстанции (ТП). За время измерения 60 с было зарегистрировано 2347 сигналов от частичных разрядов. По форме сигнала частичные разряды соответствуют сигналам, описываемым в публикациях других исследователей [4 - 7]. На рисунке 7 показаны временные сигналы с четырех датчиков.
Рисунок 7 - Форма сигнала «Измерение 1» при наличии ЧР
8
7
6
5
4
3
0
Получена гистограмма амплитуд зарегистрированных сигналов трансформатора в рабочем состоянии. В отличие от режима отсутствия электрических разрядов наблюдается группирование сигналов в диапазоне от 41 до 44 ед. АЦП. При помощи программы STATISTICA выполнено сравнение гистограмм экспериментального распределения амплитуд сигналов с ближайшим теоретическим законом распределения. Наилучшее приближение показало лог-нормальное распределение с критерием Хи-квадрат, равным 18,23 (рисунок 8).
Перемен.: Пер1, Распред.:Логнормальное Критерий Хи-квадрат = 18,23125, сс = 16 (скорр.) , р = 0,31053
200 180 160 140
I 120 100
I
о
5 80
" 60
<N<N<N<N<N<N
О СЧ СО Ю П П С^ С1
п п ^ ^ ^ ^ ^
Группа (верхние границы)
Рисунок 8 - Сравнение гистограммы амплитуд с логнормальным законом распределения при наличии ЧР
Получена также гистограмма доминантных частот сигналов при наличии ЧР. В программе STATISTICA выполнено сравнение гистограмм экспериментального распределения частот сигналов с ближайшим теоретическим законом распределения. Закон распределения для доминантных частот также соответствует логнормальному теоретическому закону (рисунок 9). Параметр Хи-квадрат принимает достаточно большое значение 1744, что объясняется большой выборкой данных - 2345.
Перемен.: Пер1, Распред.:Логнормальное Критерий Хи-квадрат = 1743,80645, сс = 19 (скорр.) , р
0,00000
600
500
400
300
з- 200
100
СО ОО ОО СП СП
см см со
Ю Ю СО СО
<N<N<N<N<N<N<NCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCO
Группа (верхние границы)
Рисунок 9 - Сравнение гистограммы частот с логнормальным законом распределения при наличии ЧР
0
При прохождении поезда число ЧР в единицу времени начинает уменьшаться, что можно объяснить присутствием колебаний, передающихся на корпус трансформатора, и воздействием их на источник ЧР. Во время измерения № 8 были зарегистрированы одновременно частичные разряды и колебания от воздействия проходящего поезда (рисунок 10) [8].
и Ш ад *4 ■
Рисунок 10 - Форма сигнала «Измерение № 8» ЧР и колебания от поезда
Выполнено сравнение гистограммы амплитуд сигнала, содержащего высокочастотные ЧР и низкочастотные колебания от проходящего поезда, с теоретическими законами распределения. Лучшее приближение показало логнормальное распределение с коэффициентом Хи-квад-рат, равным 536 ед. (рисунок 11).
Перемен.: Пер1, Распред.:Логнормальное Критерий Хи-квадрат = 536,34770, сс = 27 (скорр.) , p = 0,00000
■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ м ■ ■ ■ м ■ ■ ■ м ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
оюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюою
Группа (верхние границы)
Рисунок 11 - Сравнение экспериментальных данных с логнормальным распределением ЧР и
колебания от поезда
Гистограмма сравнивалась с равномерным законом распределения и с логнормальным законом распределения (параметр Хи-квадрат принимает значения 536 и 652 соответственно). Однако в таком распределении присутствуют два вида распределений, близкие к логнормаль-ному и равномерному (рисунок 12), первое из которых характеризует наличие ЧР, а второе -низкочастотные колебания корпуса трансформатора при прохождении поезда [9, 10].
Перемен.: Пер1, Распред.:Равномерное Критерий Хи-квадрат = 652,89509, сс = 23 (скорр.) , р = 0,00000 30 |М М II II II II I II II II II II II II II I II II II II II II I II II II II II II I II II II II II II II II I II II II II II II II I II II II II II II I
25
20
2
ю 15
10
ггггп.п.п.ппгг!
п.1г11гтл..гг1
ИоЛ
ггШ л п
оюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюоюою
Группа (верхние границы)
Рисунок 12 - Сравнение экспериментальных данных с равномерным распределением ЧР и колебания от поезда
На основании изложенного можно сделать выводы.
1. Установка регистрации акустических сигналов СЦАД-16 с штатным программным обеспечением позволяет регистрировать частичные разряды, колебания корпуса трансформатора и определять количественные характеристики ЧР и колебаний.
2. Для силовых трансформаторов с механическими колебаниями как при прохождении поезда, так и на холостом ходу распределение амплитуд и доминантных частот зарегистрированных сигналов соответствует равномерному закону. Распределение амплитуд и доминантных частот не является сосредоточенным вокруг определенного среднего значения.
3. На силовых трансформаторах, содержащих частичные разряды, причиной которых является ухудшение изоляционных свойств обмоток, находящихся под действием высокого напряжения, наилучшее приближение как амплитуд, так и доминантных частот показало лог-нормальное распределение. Сигналы сосредоточены вокруг характерно выраженного среднего значения.
4. При прохождении поезда акустическая система регистрирует как высокочастотные сигналы от ЧР, так и низкочастотные сигналы от колебаний корпуса. В законе распределения присутствует две составляющие - равномерной и логнормальной плотностей распределения.
Таким образом, дополнительным параметром при диагностировании силовых трансформаторов является закон распределения зарегистрированных сигналов. По закону распределения можно определить наличие частичных разрядов, наличие частичных разрядов и колебания при прохождении поезда, отсутствие частичных разрядов при наличии механических колебаний корпуса трансформатора. Эти признаки в виде дополнительных параметров могут использоваться в автоматизированных системах диагностирования для повышения достоверности диагноза текущего состояния силового трансформатора.
Дальнейшим развитием предложенного метода является проверка зарегистрированных сигналов на промахи для формирования однородных выборок, что повысит достоверность и воспроизведение результатов статистического анализа данных.
5
0
Список литературы
1. Кузнецова, М. А. Повышение эффективности методов диагностирования тяговых трансформаторов в условиях тяжеловесного движения / М. А. Кузнецова. - Текст : непосредственный // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов : материалы всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - 2018. - С. 123-129.
2. Акустико-эмиссионный контроль железнодорожных конструкций / А. Н. Серьезнов, Л. Н. Степанова [и др.]. - Новосибирск : Наука, 2011. - 272 с. - Текст : непосредственный.
3. Боровиков, В. А. Программа STATISTICA для студентов и инженеров / В. А. Боровиков. - Москва : КомпьютерПресс, 2001. - 198 с. - Текст : непосредственный.
4. Классификация акустических сигналов разрядных процессов в изоляции на основе формы их вейвлет-спектров / А. И. Чуличков, Н. Д. Цыбульская, С. К. Цветаев, О. С. Сурконт. - Текст : непосредственный // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. - 2009. - С. 103-105.
5. Markalous S. M., Tenbohlen S., Feser K. Detection and location of partial discharges in power transformers using acoustic and electromagnetic signals. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, vol. 6, no. 15, pp. 1576 - 1583.
6. Шахнин, В. А. Статистические характеристики частичных разрядов как диагностические признаки состояния изоляции высоковольтного оборудования / В. А. Шахнин, Ю. С. Чебрякова, Я. В. Мироненко. - Текст : непосредственный // Контроль. Диагностика. -2015. - № 2. - С. 59-65.
7. Максудов, Д. В. Методы селекции сигналов частичных разрядов / Д. В. Максудов, Е. М. Федосов. - Текст : непосредственный // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2009. - Т. 12. - № 2. - С. 138-143.
8. Диагностирование силовых трансформаторов методом акустической локации частичных разрядов / А. С. Карандаев, С. А. Евдокимов [и др.]. - Текст : непосредственный // Вестник МГТУ им. Носова. - 2012. - № 1. - С. 105-108.
9. Кузнецов, А. А. Повышение эффективности методов диагностирования тяговых трансформаторов при увеличении массы поездов / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко, М. А. Кузнецова. - Текст : непосредственный // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте : материалы науч. конф. - Омск : Омский гос. ун-т путей сообщения, 2018. - С. 20-27.
10. Соловьянова, И. П. Теория волновых процессов. Акустические волны / И. П. Соловья-нова, С. Н. Шабунин. - Екатеринбург : Уральский государственный технический университет, 2004. - 142 с. - Текст : непосредственный.
References
1. Kuznetsova M. A. Improving the efficiency of methods for diagnosing traction transformers in conditions of heavy traffic [Povyshenie effektivnosti metodov diagnostirovaniya tyagovyh trans-formatorov v usloviyah tyazhelovesnogo dvizheniya]. Ekspluatacionnaya nadezhnost' lokomo-tivnogo parka i povyshenie effektivnosti tyagi poezdov: materialy IV vserossijskoj nauchno-tekhnich-eskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem (Materials of the IV All-Russian scientific and technical conference with international participation). - Omsk, 2018, pp. 123 - 129.
2. Ser'eznov A. N. Akustiko-emissionnyj kontrol' zheleznodorozhnyh konstrukcij (Acoustic emission control of railway structures). Novosibirsk: Nauka Publ., 2011, 272 p.
3. Borovikov, V. A. Programma STATISTICA dlya studentov i inzhenerov (STATISTICA program for students and engineers). Moscow: Computer Press Publ., 2001, 198 p.
4. CHulichkov A. I., Cybul'skaya N. D., Cvetaev S. K., Surkont O. S. Classification of acoustic signals of discharge processes in insulation based on the shape of their wavelet spectra [Klassifikaciya
3(51)
akusticheskih signalov razryadnyh processov v izolyacii na osnove formy ih vejvlet-spektrov]. Vest-nik Moskovskogo universiteta. Seriya 3: Fizika. Astronomiya. - The journal of Moscow University. Series 3: Physics. Astronomy, 2009, pp. 103-105.
5. Markalous S. M., Tenbohlen S., Feser K. Detection and location of partial discharges in power transformers using acoustic and electromagnetic signals. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, no.15 (6), pp. 1576 - 1583.
6. SHahnin V. A., CHebryakova YU. S., Mironenko YA. V. Statistical characteristics of partial discharges as diagnostic signs of the state of isolation of high-voltage equipment [Statisticheskie harakteristiki chastichnyh razryadov kak diagnosticheskie priznaki sostoyaniya izolyacii vysokovol'tnogo oborudovaniya]. Kontrol'. Diagnostika - Control. Diagnostics, 2015, no. 2, pp. 59 - 65.
7. Maksudov D. V., Fedosov E. M. Methods for selection of partial discharge signals [Metody selekcii signalov chastichnyh razryadov]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviacionnogo tekhnicheskogo universiteta - The journal of the Ufa State Aviation Technical University, 2009, no.2 (12), pp. 138 - 143.
8. Karandaev A. S., Evdokimov S. A., Devyatov D. H., Parsunkin B. N., Sarlybaev A. A. Diagnosis of power transformers by acoustic location of partial discharges [Diagnostirovanie silovyh transformatorov metodom akusticheskoj lokacii chastichnyh razryadov]. Vestnik MGTU im. Nosova - The journal of MSTU named after Nosov, 2012, no.1, pp. 105 - 108.
9. Kuznetsov A. A., Kuzmenko A. Yu., Kuznetsova M. A. Improving the efficiency of methods for diagnosing traction transformers with an increase in the mass of trains [Povyshenie effektivnosti metodov diagnostirovaniya tyagovyh transformatorov pri uvelichenii massy poezdov]. Inno-vacionnye proekty i tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte : materialy nauchnoj konferencii (Innovative projects and technologies in education, industry and transport: materials of the scientific conference). - Omsk, 2018, pp. 20 - 27.
10. Solov'yanova I. P., SHabunin S. N. Teoriya volnovyhprocessov. Akusticheskie volny (Theory of wave processes. Acoustic waves). Yekaterinburg: UGTU-UPI Publ., 2004, 142 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Волчанина Мария Андреевна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС. Телефон: 8-983-116-10-84. E-mail: kuznetcova994@gmail.com
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Volchanina Maria Andreevna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Electrical machines and general electrical engineering», OSTU. Phone: 8-983-116-10-84. E-mail: kuznetcova994@gmail.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Волчанина, М. А. Статистические исследования сигналов акустического контроля при диагностировании силовых трансформаторов / М. А. Волчанина. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. -2022. - № 3 (51). - С. 80 - 89.
Volchanina M.A. Statistical investigations of acoustic control signals in diagnostic of power transformers. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 3 (51), pp. 80-89 (In Russian).
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 89
