Анализ методик и подходов к проблеме диагностирования технического состояния сетей электроснабжения

УДК 621.331

АНАЛИЗ МЕТОДИК И ПОДХОДОВ К ПРОБЛЕМЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

С.В. Ершов, А.М. Дмитриев

Проведен анализ существующих методов и способов диагностирования систем электроснабжения. Определены основные достоинства и недостатки существующих методов.

Ключевые слова: электроснабжение, диагностика сетей, надежность электроснабжения, диагностический комплекс, проектирование.

Сети электроснабжения промышленных предприятий являются составной частью электроэнергетических систем. Для систем электроснабжения характерны те же особенности, что и для электроэнергетических систем. Как и для электроэнергетических систем, им необходима безотказность, которая определяет эффективность их функционирования. С учетом определения параметров безотказности может быть выполнена оценка технико-экономических показателей системы электроснабжения [1].

Должная эффективность функционирования систем электроснабжения достигается введением необходимых резервов мощностей источников питания и увеличения безотказности электрооборудования, т.е. повышением показателей качества оборудования, ликвидацией на стадии проектирования источников вероятных аварий, способных привести к его отказам и длительным простоям технологического комплекса [2]. Еще одним способом повышения стабильности и бесперебойности электроснабжения электроприемников является прогнозирование отказов энергетического оборудования во время его эксплуатации.

Эффективность функционирования системы электроснабжения находится в зависимости от безотказности отдельного его элемента [3]. При поддержании в период работы безотказности элементов на требуемом техническом уровне высокий уровень безотказности будет иметь и сама система. Причинами возникновения отказов служат внутренние и внешние возмущающие факторы. Последствиями отказов будут являться экономические потери, вызванные восстановлением поврежденного оборудования и нарушением технологического процесса [4]. Эффективность функционирования системы электроснабжения будет иметь максимальный уровень при меньших потерях.

В работе [2] дается расчет надежности систем электроснабжения с восстановлением и выполнен анализ эксплуатационных данных по показателям надежности. При рассмотрении концепции монотонных структур

с учетом их вероятностного анализа авторы [3] анализируют распределения по возрастающей и убывающей интенсивности отказов. Это позволяет им определять резервирование и периодичность профилактик. Некоторые положения эксплуатационной надежности систем представлены в [1]. В этой же работе выполнен расчет показателей надежности. В работе [2] дается оценка стабильности работы системы электроснабжения и ее элементов, а также производится расчет надежности на основе структурного анализа. Практические аспекты теории надежности, теории экспертного анализа и оптимального поиска приводятся в [2].

Первый, кто определил безотказность электрооборудования, был профессор Якуб Б.М. Один из показателей надежности электрооборудования может выступать отношение времени работы к сумме непосредственного времени работы и аварийных простоев. Этот показатель определяет заложенную способность оборудования достигать непрерывность в работе при стабильном характере использования и эксплуатации и имеет название коэффициента готовности. Автор [2] при расчетах надежности учитывает только количество аварий электрооборудования в год, не учитывая при этом его наработки на отказ и время восстановления. Таким образом, подобная методика не дает полного анализа функционирования электрооборудования. Надежность электрооборудования - это комплексное свойство, зависящее от большого количества факторов. Для выполнения анализа нужно знать законы распределения наработок на отказ и зависимости времени восстановления оборудования и отказа [3, 4].

С повышением качества систем электроснабжения были введены параметры частоты а^) и интенсивности 1) отказов [5], в то же время частота отказов оборудования в большей степени определяется условиями эксплуатации [6].

В роли математической модели работы оборудования могут выступать наработка на отказ и среднее время восстановления, что дает возможность определять безотказность, долговечность и ремонтопригодность оборудования [2]. Тем не менее, в представленной модели отсутствует комплексный параметр надежности, что в ряде случаев будет являться ее недостатком. В [2] в качестве комплексного показателя предлагается использовать вероятности работы и восстановления оборудования при отказах.

Эксплуатация электрооборудования приводит к постепенному его износу и вследствие этого к необходимости его периодического ремонта. Для разработки эффективных систем профилактических мероприятий, контроля, испытаний, диагностики, текущих и капитальных ремонтов нужно определение причин отказов электрооборудования [2].Для того чтобы обеспечить требуемый уровень безотказности систем, авторы [3] вводят в расчеты время профилактических ремонтов. Сокращение продолжительности периода ремонта увеличивает время безотказного функ-

ционирования оборудования, приводя к увеличению вероятность работы оборудования при дальнейшей эксплуатации [4, 5]. Тем не менее, как и любой способ увеличения безотказности работы оборудования, он требует дополнительных капитальных затрат. Организация по снижению уровня процессов старения систем и достижение их безотказности требуют изменения существующих методик и способов, а также разработки совершенно нового подхода - применения моделей и методик системного анализа, процедур выбора мероприятий для эффективного планирования технического обслуживания, определения неисправностей и дефектов, плановой организации ремонтов. Задачи определения оптимальных параметров периодичности ремонтных работ, наработки на отказ, определения технического состояния оборудования целесообразно решать на одной методической основе с задачами диагностирования.

Это дает возможность делать вероятностное прогнозирование отказов элементов и аппаратов систем электроснабжения [2]. На основе статических данных определяются функции распределения отказов элементов. Предложенная модель дает возможность определять с вероятностью 95 % число отказов в конкретный месяц, сезон или в течение года. Для прогнозирования отказов, расчета параметров электропотребления и ремонта применяется закон Н-распределения, что дает возможность учитывать изменяющиеся условия при введении новых элементов системы [3]. Распределение электрооборудования по мощности позволяет осуществлять распределение по числу отказов. Данный метод прогнозирования отказов также базируется на обработке статистической информации. Его недостатком является зависимость точности прогнозов и оценок от полноты статистического материала.

Другим подходом повышения безотказности электрооборудования может служить использование методов и средств технической диагностики [4]. Он дает возможность анализировать работоспособность системы с использованием диагностических моделей. Так, в работе [5] приведены средства технической диагностики, выполнена оценка ее эффективности. В [4] подробно рассматриваются вопросы конструирования оптимальных диагностических систем. Техническая диагностика направлена на то, чтобы повысить надежность основных сетей электроснабжения путем выполнения тщательного обследования для объективного определения текущего состояния, в котором находится обследуемый объект. Прежде всего, это касается силового электрооборудования. Поэтому основной целью диагностирования технического состояния является выявление дефектов электрооборудования на ранней стадии их возникновения, а функциональной, кроме выявления дефектов, - наблюдение и прогнозирование их развития, составление планов на ремонт оборудования. Для этого в работе [1] Алексеевым Б.А. определены дефекты электрооборудования, проявляющиеся во время работы, их признаки, средства и способы выявления. А в работе

[3] перечислены возможности повышения безотказности систем электроснабжения при использовании эффективных методов контроля состояния и диагностирования. В работе [3] приведен алгоритм определения работоспособности трансформаторов, приведены структурная схема автоматизированной системы контроля их состояния и принцип автоматизации принятия решений.

Увеличивающееся количество оборудования, исчерпавшего свой максимальный ресурс работы, в сочетании с негативными внешними воздействиями (перегрузки, перенапряжения, короткие замыкания и т.д.) приводит к росту отказов. В таких условиях применение эффективной диагностики состояния электрооборудования является актуальной задачей. Так, в [3] предложено создание локальной системы диагностики электрооборудования. Приведены организационные мероприятия и, предложены технические решения в виде концептуальной стратегии выявления и прогнозирования развития дефектов. Дальнейшее развитие проблема получила в

[4]. Решение данной задачи может быть получено с учетом современных информационных технологий. Одно из них предлагается авторами в работе [4] и может стать основой для реализации системного решения при оценке состояния силовых трансформаторов, реакторов и других элементов систем электроснабжения. Принцип системного подхода реализован в схеме создания (модульность, открытость) и в технологии ее применения (учет текущей информации, даже весьма нечеткой, об объекте на промежуточном этапе его жизненного цикла). Информационно-нормативная база системы приведена в работах [3-4]. При этом работоспособность информационной системы достигается даже при одном реально используемом в энергосистеме виде испытаний. Если их осуществляется два и более, проводится комплексный анализ, когда оцениваются данные, получаемые из разных источников, в различные периоды времени по отношению к разным узлам электроснабжения. Характеристика состояния объекта может быть представлена в виде так называемой «линии жизни», которая может быть приведена для любого маслонаполненного оборудования. Она описывает весь период наблюдений со всеми внешними и внутренними факторами, и строится по точкам, в каждой из которых характеризуется всей доступной на текущий момент, информации о состоянии объекта. Обработка этой информации ведется по специальному алгоритму [4], учитывающему соответствие каждого параметра своим краевым значениям, выход за которые характеризует определенное неблагополучие в состоянии объекта. Неравномерность доверительного интервала (периода) около линии жизни является признаком степени точности оценки состояния. Широкий диапазон свидетельствует о малом числе испытаний или завершении периодов их актуальности на соответствующий временной промежуток, узкий - о своевременности и необходимом количестве проведенного обслуживания. По результатам анализа даются рекомендации о дальнейших эксплуатацион-

ных действиях. Тем не менее, в этом подходе не разделены методы и средства технического контроля по уровню достоверности контролируемых параметров, что является его недостатком.

Система комплексной диагностики относится к классу информационно- измерительных систем [6], так как в этом случае обязательно присутствуют измерительные преобразования, совокупность которых составляет основу для последовательной процедуры диагноза. Ее необходимо рассматривать как совокупность множества вероятных состояний объекта, множествами сигналов, владеющих информацией о состоянии объекта, и алгоритмов их сопоставления [4]. Объектами комплексной диагностики являются составные части системы электроснабжения. Элементы такой системы могут пребывать в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Поэтому одними из задач систем комплексной диагностики являются установление работоспособности элемента и выявление неисправностей. Отсюда следуют основные этапы реализации системы комплексной диагностики: определение состояний элементов объекта диагностики контролируемых величин, сбор и анализ необходимых статистических данных; математическое моделирование объекта и разработка алгоритма проверки объекта; построение структуры диагностической системы.

Элементы, подвергающиеся диагностированию, как правило, недоступны для визуального наблюдения, что требует проведения процедуры диагностики без нарушения технологического цикла. По этой причине преимущественно применяются косвенные методы измерения и контроля

[4,5].

Во время определения дефектов применяется комбинированный или последовательный метод. При комбинированном поиске выполняется установленное число проверок независимо от порядка их выполнения. Последовательный поиск связан с анализом результатов ведущейся проверки и принятием решения на продолжение процедуры проверки.

В зависимости от конечной цели диагностирования различают диагностические и прогнозирующие системы комплексной диагностики. Диагностические системы предназначены для установления наличия неисправности и локализации места неисправности. Прогнозирующие системы комплексной диагностики по результатам предварительных проверок прогнозируют поведение объекта в будущем. Поэтому особый интерес вызывают прогнозирующие системы технической диагностики [4,5]. Прогнозирование - одна из самых перспективных, но при этом и самых сложных, методов анализа. Метод прогнозирования в общем случае сводится к проведению оценки будущих значений упорядоченных во времени данных с учетом анализа уже имеющихся данных. Ее решение дает возможность определить остаточный ресурс или прогнозировать отказы в системе электроснабжения. В системах электроснабжения случаи мгновенного развития аварийных процессов встречаются достаточно редко. Для каждого

объекта характерны скорости аномальных процессов [5]: развитие аварии во времени не происходит; дефект усиливается медленно, т.е. имеет место «слаботекущий» характер процесса; возникает первая или вторая ситуация, но на определенных режимах работы оборудования; дефект развивается значительно быстрее, в результате чего срабатывает защита или возникает авария.

Рассматриваемые системы комплексной диагностики позволяют установить в элементах систем электроснабжения дефекты различного происхождения. Поэтому следующей задачей комплексной диагностики является оценка вероятности обнаруженных дефектов с точки зрения безотказного функционирования и безопасной работы оборудования [4,5]. Необходимость прогнозирования возникновения дефектов элементов, оценка возможности эксплуатации в условиях неполноты и неопределенности информации о техническом состоянии оборудования, является значительно влияющим фактором. Одним из возможных способов прогнозирования в условиях неопределенности исходных данных является вероятностный метод [2,3]. Для определения вероятности отказов при проявлениях дефектов различных типов нужно знать последующие вероятностные и числовые характеристики: функции зависимости дефектов от размеров; математические ожидания числа выявленных дефектов; максимальные значения обнаружения; параметры системы выявления дефектов; критические уровни дефектов. Изложенный в [4] метод оценки вероятности отказа элементов по результатам диагностического анализа дефектов дает возможность учитывать статистическую информацию о различных видах дефектов, полученную в результате обследования, определить остаточный ресурс по результатам очередного диагностического обследования.

Так, согласно статистическим данным текущее состояние парка маслонаполненного электрического оборудования выглядит следующим образом: за 3 года число повреждений маслонаполненного оборудования напряжением выше 35 кВ выросло на 14,3 %, процент повреждений в общем количестве технологических аварий по годам составил: в 2011 г. - 4,8 %; 2012 г. - 5,4 %; 2013 г. - 6,1 % [ 55].

Комплексной диагностике отводится важная роль в повышении эффективности функционирования систем электроснабжения. Все многообразие методик и средств комплексной диагностики по способу воздействия на объект [3,4,5] может быть разделено на 3 вида: тестовая диагностика; функциональная; комбинированная диагностика (рис. 1).

Одним из характерных признаков тестовой диагностики является формирование требуемых возмущений в объекте диагностики. Другим характерным признаком является то, что исследование объекта в данном случае осуществляется только после вывода его из эксплуатации (например, при проведении плановых ремонтов). Методы диагностики этой группы являются на данный момент традиционными для силового электрообо-

рудования, т.к. в течение длительного времени они являлись основными источниками данных об исследуемых объектах электроэнергетики.

Так, определение сопротивления изоляции обмоток относится к виду контроля при выводе оборудования в ремонт [4]. Этим методом эффективно определяются [2,3,4]: местные нарушения изоляции; загрязнения изоляции; повреждения изоляции; проникновение в изоляционный промежуток токопроводящих проводников (металлической стружки, следов от графита и т.д.); уровень увлажнения изоляции [3].

Рис.1. Классификация методик комплексной диагностики

Для общей оценки вероятностного состояния изоляции обычно используется показатель тангенса угла диэлектрических потерь [2,3].

Еще один способ определения состояния изоляции маслонаполненного оборудования - хроматографический замер газов [5]. Он основан на анализе характеристик газов. Под определением дефекта здесь имеется в виду согласование набора диагностических показателей, характеризующих состояние объекта. В качестве показателя в [5] используется общее значение квадрата разностей значений параметров, измеренных во время испытаний, и эталонных. Адекватность обнаружения дефектов определяется корректностью составления модели самого дефекта. Достоверность выявления дефектов оборудования по результатам хроматографичеих испытаний газов в [4] предлагается увеличить на основе метода Байеса [4]. При использовании данного метода вероятности всех возможных исходов исследования объединяются с гипотезами, известными до проведения эксперимента, и затем вычисляется вероятность того, что данные гипотезы

подтверждаются ходом эксперимента.

В последние годы вместе с традиционными широкое распространение получают и новые методы тестовой диагностики, такие, как метод низковольтных импульсов [4]. Сущность его состоит в том, что при питании одной из обмоток силового трансформатора прямоугольным импульсным напряжением величиной 100500 В переходные импульсы тока на других обмотках регистрируются при помощи осциллограмм. По изменениям, заметным в осциллограммах, полученным до и после воздействия токов короткого замыкания, делают выводы об изменениях сопротивления обмоток трансформатора

Методы тестовой диагностики в большинстве случаев позволяют успешно выполнять диагностику электрооборудования. К основным недостаткам этих методов относятся низкая информативность и требование вывода оборудования из эксплуатации.

К следующей группе относят методы функциональной диагностики. Их отличие заключается в том, что они позволяют провести исследование электрооборудования во время его эксплуатации, производить дистанционное диагностирование и осуществлять оперативное управление состоянием объекта исследования. В настоящее время нашли применение перечисленные ниже методы функциональной диагностики:

1. метод выявления источников внутреннего выделения газов с помощью акустических датчиков [4]. Дает возможность определять наличие источника внутреннего выделения газов я, обрыв проводников заземления в активной части трансформатора. Преимуществом данного метода являются простота, а, значит, и невысокая стоимость оборудования для диагностики. К недостаткам метода можно отнести зависимость отклонения результатов от внешних помех. Кроме того, при применении акустических датчиков возможно определение лишь примерного местоположения вероятностного дефекта, связанного с обильным выделением газов;

2. тепловизионный метод, заключающийся в применении современных тепловизионных систем, дает возможность получать тепловую картину объекта исследования [3,4]

3. метод определения деформаций и смещений обмоток силового трансформатора по параметрам нулевой последовательности при работе в нормальном режиме, на основе измерения действующих значений и фаз тока в нейтральном проводнике, фазных токов и напряжения нулевой последовательности [2,3]. Этот метод диагностики состоит в контроле за состоянием обмоток посредством проведения электрических измерений. Его основное достоинство — постоянный контроль за величинами указанных электрических параметров. К недостаткам метода относится низкая информативность, т.к. при некоторых обстоятельствах деформации обмоток трансформатора могут не приводить к изменениям измеряемых параметров;

4. метод диагностики трансформаторов по вибрационным параметрам. Он основан на качественной и количественной характеристике вибрации поверхности бака как функции механического изменения состояния обмоток и магнитного провода [2,3]. Он предназначен для определения уровня распрессовки обмоток и магнитопровода.

Определив и проанализировав сущность и подходы к созданию комплексных систем диагностирования электрических сетей, можно провести технический анализ существующих диагностических комплексов.

Список литературы

1. Алексеев Б. А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. М.: НЦ ЭНАС, 2002. 216 с.

2. Испытание мощных трансформаторов и реакторов / Г. В. Алексенко. М.: Энергия 1978. 254 с. [и др.]

3. В. В. Базуткин, В. П. Ларионов, Ю. С. Пинталь Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах /; под. общ. ред. В. П. Ларионова. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Энергоатомиздат, 1986. 464 с.

4. Беркович Я. Д. О диагностике энергетического оборудования // Электрические станции. 1989. № 6. С. 16-20.

5. Биргер И. А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.

6. Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 448 с.

7. Верзаков Г. Ф. Введение в техническую диагностику / под. общ. ред. К. Б. Карандеева. М.: Энергия, 1962. 224 с.

Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, проф., доц., erschov.serrg@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Дмитриев Антон Михайлович, магистр, kafelene@rambler.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE ANALYSIS OF METHODS AND APPROACHES TO THE PROBLEM OF DIAGNOSING THE TECHNICAL CONDITION OF POWER SUPPLY NETWORKS

S. V. Ershov, A.M. Dmitriev

The analysis of existing methods and ways of diagnosing ofpower supply systems was made. Key strengths and weaknesses of existing methods are made.

Key words: power supply, network diagnostics, reliability of power supply, diagnostic complex design

Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical sciences, docent, er-schov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Dmitriev Anton Mikhailovich, magister, kafelene@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.331

ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

С.В. Ершов, Б. А. Жабин

Рассмотрены методы и модели анализа электрических сетей, в которых возникают провалы напряжения. В основу методики определения параметров напряжения положен комбинированный способ.

Ключевые слова: электроснабжение, напряжение, провал напряжения, моделирование, проектирование.

Обычно провалом напряжения называют кратковременное снижение или полную потерю напряжения. С физической точки зрения это означает, что требуемая энергия не поступает к нагрузке. Такое явление может привести к серьезным последствиям. Параметрами провала напряжения являются его длительность Atn и величина остаточного напряжения 5Un, выражаемая в процентах от номинального (рис.1). В большинстве случаев падением напряжения будет являться относительно длительное его снижение. Такой способ применяют для уменьшения нагрузки в периоды максимума потребления энергии или уменьшения возможного ее наличия в сравнении со спросом.

Считается, что электродвигатели, в том числе и установки с регулируемым приводом, наиболее подвержены влиянию провалов напряжения из-за того, что нагрузке необходима энергия, которой уже недостаточно. При этом исключением будет являться инерция движущихся частей. Если в системе несколько электроприводов, то управляющие элементы могут управлять отключением двигателя с различными значениями напряжения и применять различные принципы замедления. Это ведет, например, к потере контроля за процессами непрерывных производств чугуна.

На данный момент признаны две основные причины провалов напряжения, а именно подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках цепи. При запуске электродвигателей, имеющих значительную мощность, пусковые токи могут в разы превышать номинальные. В случае расчета подключенного кабеля на номинальную мощность пусковые токи приводят к снижению напряжения как в питающей сети, так и на стороне нагрузки.

97