Способ диагностики силовых трансформаторов
METHOD FOR DIAGNOSING POWER TRANSFORMERS

Способ диагностики силовых трансформаторов предназначен для определения состояния маслонаполненного силового трансформатора и принятия дальнейших мер в зависимости от его состояния.
Изобретение относится к методам диагностики высоковольтного оборудования и может быть использовано на предприятиях, эксплуатирующих подобное оборудование.
Вопрос определения состояния трансформаторного оборудования является чрезвычайно актуальным, т.к. более половины парка оборудования отслужили свой эксплуатационный срок, и в соответствии с регламентом требуют капитального ремонта. Правильная оценка возможности дальнейшей эксплуатации оборудования на основании проведенной диагностики позволяет избежать неоправданных финансовых затрат, а также потерь, связанных с аварийным отключением электроснабжения.
На данный момент существуют разнообразные методики проведения диагностики силовых трансформаторов.
Например, в «Способе диагностики силовых трехобмоточных трансформаторов» (патент РФ №2446406) диагностирование проводят регистрацией фазных и линейных напряжений в различных нагрузочных режимах. С помощью решения систем уравнений, на основе полученных значений, определяют состояние трансформатора.
Подобным образом в «Способе диагностики силовых трансформаторов» (патент РФ №2237254) измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов всех обмоток трансформатора в двух различных режимах работы трансформатора, и, проводя последующие математические вычисления, решают уравнения состояния силового трансформатора на основе матрицы узловых проводимостей и узловых сопротивлений и определяют различные параметры обмотки трансформатора.
В «Способе диагностики состояния твердой изоляции силовых трансформаторов» (заявка №93027023) о состоянии трансформатора судят по степени разложения твердой изоляции, и по содержанию в масле продуктов ее термической деструкции.
«Способ диагностики трансформатора» (патент РФ №2117955) включает вибрационное воздействие на трансформатор, в ходе которого измеряют основные параметры, анализируя которые выносят оценку соответствия конструкции эксплуатационным требованиям.
В качестве прототипа выбрана «Система диагностики маслонаполненных измерительных трансформаторов» (патент РФ на полезную модель №82867) предназначенную для диагностики маслонаполненного высоковольтного оборудования по результатам хроматографического анализа растворенных в масле газов. Система после взятия пробы масла формирует вектор измеренных концентраций газов, растворенных в масле, координатами которого служат величины концентраций указанных семи газов, растворенных в трансформаторном масле. Затем строится вектор граничных допустимых значений и проводится анализ на превышение вектором измеренных концентраций выбранного вектора граничных концентраций.
Однако судить о состоянии дорогостоящего и трудоемкого в монтаже и ремонте силового трансформатора только по одному методу бывает недостаточным, приводящим в случае некорректных выводов к значительным эксплуатационным затратам, т.к. порой на точность испытаний влияют, например, даже ошибки при отборе масла.
Данное изобретение направлено на совместное применение различных по сути методик с целью повышения точности определения состояния силового трансформатора.
Технический результат изобретения состоит в повышении достоверности диагностики трансформаторов, прогнозировании его работоспособности и определении срока следующего испытания. Предлагаемый способ диагностики позволяет более достоверно выявлять наличие в трансформаторе развивающегося дефекта и определять его вид.
Поставленная задача достигается тем, что способ диагностики силовых трансформаторов, включающий блок подготовки пробы масла, модуль хроматографического анализа, хроматограф, блок передачи данных хроматографии, блок цифровой обработки данных, общую шину, блок ввода данных, блок памяти, блок результатов диагностики, согласно изобретению дополнительно содержит трансформатор, модуль частичных разрядов, блок сбора данных, блок калибровки частичных разрядов, блок фильтрации частичных разрядов, блок передачи данных метода частичных разрядов, модуль химико-физического анализа, блок подготовки пробы масла, блок определения диэлектрической прочности масла, блок определения чистоты масла, блок измерения температуры вспышки масла, аналитический блок, базу данных нормативно-справочной информации, причем блок подготовки пробы масла, хроматограф и блок передачи данных хроматографии объединены в модуль хроматографического анализа, а модуль диагностики методом частичных разрядов состоит из блока сбора данных, блока калибровки частичных разрядов, блока фильтрации частичных разрядов, блока передачи данных метода частичных разрядов, модуль химико-физического анализа состоит из блока подготовки пробы масла, блока определения диэлектрической прочности масла, блока определения чистоты масла, блока измерения температуры вспышки масла, при этом трансформатор односторонними связями соединен с модулем частичных разрядов, модулем хроматографического анализа, модулем химико-физического анализа, модуль частичных разрядов односторонней связью соединен с блоком цифровой обработки данных, модуль хроматографического анализа односторонней связью соединен с блоком цифровой обработки данных, блок цифровой обработки данных односторонней связью соединен с общей шиной, общая шина односторонней связью соединена с блоком памяти, модуль химико-физического анализа односторонней связью соединен с блоком ввода данных, блок ввода данных односторонней связью соединен с блоком памяти, блок памяти односторонней связью соединен с аналитическим блоком, аналитический блок односторонней связью соединен с блоком результатов диагностики, аналитический блок двусторонней связью соединен с базой данных нормативно-справочной информации.
Данная задача решена путем частичной автоматизации анализа и обработки данных диагностики с целью представления ее в удобном для проведения аналитической работы виде для определения состояния силового трансформатора.
Структура полезной модели представлена на фиг. 1, фиг. 2 и состоит из следующих модулей и блоков:
1. Трансформатор.
2. Модуль частичных разрядов (ЧР).
2.1. Блок сбора данных.
2.2. Блок калибровки ЧР.
2.3. Блок фильтрации ЧР.
2.4. Блок передачи данных ЧР.
3. Модуль хроматографического анализа.
3.1. Блок подготовки пробы масла.
3.2. Хромотограф.
3.3. Блок передачи данных хроматографии.
4. Модуль химико-физического анализа масла.
4.1. Блок подготовки пробы масла.
4.2. Блок определения диэлектрической прочности масла.
4.3. Блок определения класса чистоты масла.
4.4. Блок измерения температуры вспышки масла.
5. Блок цифровой обработки.
6. Общая шина.
7. Блок ввода данных.
8. Блок памяти.
9. Аналитический блок.
10. Блок результатов диагностики.
11. База данных нормативно-справочной информации (БД НСИ).
Блок ввода данных (7), Блок памяти (8), Аналитический блок (9), Блок результатов диагностики (10) входят в состав специализированного программного обеспечения ПЭВМ как автоматизированное рабочее места (АРМ) специалиста.
Трансформатор (1) - объект диагностики, маслонаполненный силовой трансформатор.
Модуль ЧP (2) - предназначен для диагностики Трансформатора (1) методом частичных разрядов.
Блок сбора данных (2.1) - предназначен для сбора данных испытаний.
Блок калибровки ЧР (2.2) - предназначен для получения истинного значения уровня заряда.
Блок фильтрации ЧP (2.3) - функциями данного блока является фильтрация сигнала по трем параметрам: по времени прихода импульса, по амплитуде и по полярности импульса.
Блок передачи данных ЧP (2.4.) - отвечает за передачу в систему результатов диагностики методом ЧP.
Модуль хроматографического анализа (3) предназначен для обнаружения повреждений и дефектов конструктивных узлов электрооборудования.
Блок подготовки пробы масла (3.1) ответственен за правильный порядок отбора пробы масла в соответствие с рекомендациями по работе с прибором.
Хромотограф (3.2) - прибор, который используется для хроматографического разделения и анализа смесей веществ.
В состав хроматографа входят:
- система для ввода исследуемой смеси веществ (пробы);
- хроматографическая колонка;
- детектирующее устройство (детектор);
- системы регистрации и термостатирования.
Блок передачи данных хроматографии (3.3.) - отвечает за передачу в систему результатов диагностики.
Модуль химико-физического анализа (4) предназначен для лабораторного определения следующих свойств масла - диэлектрической прочности, температуры вспышки, а также на содержание механических примесей.
Блок подготовки пробы масла (4.1) - ответственен за правильный порядок отбора пробы масла в соответствие устанавливаемое стандартом.
В Блоке определения диэлектрической прочности масла (4.2) исследуются изоляционные свойства трансформаторного масла.
В Блоке определения класса чистоты масла (4.3) производится определение содержания механических примесей в трансформаторном масле в результате разрушения красок, изоляции.
Блок измерения температуры вспышки масла (4.4). Результаты работы блока характеризует степень чистоты масла, что позволяет оценить наличие в нем потенциально опасных легколетучих примесей.
Блок цифровой обработки данных (5) переводит аналоговые сигналы Модулей (2) и (3) в цифровой формат ЭВМ. Данный блок имеет быть место, т.к. еще на многих предприятиях используют хорошо зарекомендовавшие себя приборы с аналоговой обработкой сигнала.
Общая шина (6) представляет собой общий кабель, через которую осуществляется передача данных из Модулей (2) и (3) в Блок памяти (8).
Блок ввода данных (7) служит для ручного ввода данных диагностики Трансформатора (1) методом химико-физического анализа масла (Модуль (4)), а также иной дополнительной информации, необходимой для проведения аналитической работы.
Блок памяти (8) - место сбора и временного хранения результатов диагностики.
Аналитический блок (9) является центральным блоком аналитический системы по диагностики трансформатора. В нем сравниваются полученные результаты с нормативными данными, с результатами прежних диагностических исследований, выносится решение об общем состоянии Трансформатора (1) и его отдельных узлов, строится прогноз работоспособности.
Блок результатов диагностики (10) - данные диагностики подготавливаются в удобном для анализа как графическом, так и бумажном видах.
База данных НСИ (11) - корпоративная база нормативно-справочной информации предприятия с данными по каждому оборудованию с историей эксплуатации, диагностики и ремонта.
Диагностика трансформатора происходит в три последовательных этапа.
По методу частичных разрядов (Модуль 2) можно измерить не только уровень частичных разрядов в обмотке трансформатора, но и определить их местонахождение. Измерение характеристик частичных разрядов проводится с целью определения на отсутствие в изоляции испытываемого трансформатора при испытании нормированным напряжением частичных разрядов, интенсивность которых превышает значение, устанавливаемое стандартом или техническими условиями на трансформатор.
Испытания проводятся следующим образом. Трансформатор отключается от сети и от нагрузки. Емкостные датчики прибора для регистрации и анализа сигналов частичных разрядов в изоляции крепятся на нижнюю часть ввода трансформатора. В Блоке (2.1) происходит калибровка путем инжекции импульса сигнала поочередно на каждый ввод трансформатора и одновременной фиксацией сигнала с каждого ввода в блоке сбора данных. Затем на ввода трансформатора подается рабочее напряжение, и емкостные датчики фиксируют реальный уровень разрядов. Полученные значения разрядов попадают в блок фильтрации, где происходит фильтрация сигнала от помех по трем параметрам: по времени прихода импульса, по амплитуде, и по полярности импульса. Затем после цифровой обработки в Блоке (5) через Общую шину (6), и Блок памяти (8) данные попадают в Аналитический блок (9), где подвергаются анализу на предмет опасности дефекта в обмотке трансформатора, а именно определяется тип дефекта и степень его опасности в зависимости от образа (изображение, получаемое при регистрации частичных разрядов) полученных сигналов на фазо-частотном распределении, определении амплитуды сигналов, построения частотного спектра и анализа тренда развития дефекта.
Хроматографический анализ (Модуль 3) газов, растворенных в масле, является специальным методом, служащим для обнаружения повреждений и дефектов конструктивных узлов электрооборудования и позволяет:
- отслеживать развитие процессов в оборудовании;
- выявлять дефекты на ранней стадии их развития, не обнаруживаемые традиционными способами;
- определять предполагаемый характер дефекта и степень имеющегося повреждения;
- ориентироваться при определении места повреждения.
Состояние оборудования оценивается сопоставлением полученных при анализе количественных данных с граничными значениями концентрации газов и по скорости роста концентрации газов в масле. Важно различать нормальные и чрезмерные объемы газа. Нормальное старение или газовая генерация изменяется в зависимости от конструкции трансформатора, нагрузки и типа изоляционных материалов.
2
2
2
4
4
2
2
4
2
6
Отбор пробоотборником шприцевого типа (V=10-100 мл) необходимого объема масла и подготовка происходят в Блоке подготовки пробы масла (3.1). Подготовленное масло помещается в Хроматограф (3.2), который посредством метода разделения смесей веществ или частиц, основанный на различии скоростей их перемещения по колонке в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз, определяет отношение концентраций характерных газов: СН/СН, СН/Н, СН/HН. Прогнозируемый дефект определяется на основании отношения данных значений, занесенных в таблицу.
На основании данной таблицы происходит определение дефекта. Полученное аналоговое значение преобразуется в цифровое и заносится в Блок памяти (8) для дальнейшего анализа.
Надо отметить, что хроматографический анализ газов, растворенных в масле, практически не информирует о качестве и состоянии самого масла.
В Модуле (4) происходит лабораторное исследование трансформаторного масла по следующим свойствам - диэлектрической прочности, температуры вспышки, определения класса чистоты.
Во всех маслонаполненных электрических аппаратах масло используется как основной диэлектрик для повышения электрической прочности.
Отбор пробоотборником шприцевого типа (V=10-100 мл) необходимого объема масла и подготовка происходят в блоке подготовки пробы масла. Отобранные пробы масла проходят измерение в Блоке определения диэлектрической прочности масла (4.2), Блоке определения класса чистоты масла (4.3), а также в Блоке определения температуры вспышки масла (4.4).
Испытание диэлектрической прочности масла проводят следующим образом: в измерительную емкость с отобранным маслом помещают два электрода. Емкость устанавливают в измерительный прибор. На электроды подают напряжение в тех границах, при котором возможно пробитие масла. Вольтметр включается на стороне низшего напряжения, а градуируется с учетом коэффициента трансформации испытательного трансформатора, т.е. показывает испытательное напряжение. Испытание проводится 5-6 раз с интервалом 1-10 мин. За пробивное напряжение принимают среднее из шести (n=6) значений и фиксируют его значение.
Uпр=(U1+U2+…+Un)/n.
В Блоке определения класса чистоты масла (4.2) происходит определение содержания механических примесей в трансформаторном масле и производится с целью выявления загрязнений и примесей, попавших в масло в результате разрушения красок, изоляции. Через пробу масла пропускается световой луч и посредством измерения световых потоков, рассеянных частицами механических примесей (размеры 2-200 мкм), происходит определение класса чистоты масла в соответствии с ГОСТ 17216-2001. Также определяется концентрация и дисперсный состав частиц механических примесей.
Отобранное в Блоке подготовки пробы (4.1) масло в Блоке определения температуры вспышки масла (4.4) заливается в закрытый сосуд (тигель) и нагревается. Выделяемые пары масла, смешиваясь с воздухом, образуют смесь, которая вспыхивает при определенной температуре при поднесении к ней пламени или от электрической искры. При разложении масла, сопровождаемом снижением температуры вспышки, выделяются газы. При этом срабатывает газовая защита (на сигнал или на отключение). Полученное значение температуры вспышки фиксируется.
Полученные значения исследований Модуля (4) вводятся в Блоке ввода данных (7) и сохраняются на время диагностики в Блоке памяти (8).
В Аналитическом блоке (9) проводится анализ полученных данных со всех трех модулей на предмет соответствия рабочему состоянию трансформатора, и в случае их совпадении делается вывод о рабочем состояние трансформатора, намечается дата следующей диагностики, либо решение о выводе в ремонт.
Данное изобретение с высокой долей уверенности позволяет утверждать о работоспособности трансформатора. В то же время, не являясь затратным для предприятия, подобный способ проведения диагностики позволяет избежать незапланированных расходов на дорогостоящий и трудоемкий ремонт оборудования из-за недостаточной информированности о его состоянии.