Программный комплекс для контроля технического состояния силовых трансформаторов по анализу масла

УДК 534.61:534.141.2

Р. А. Гимадиев, И. В. Ившин, Н. В. Денисова, Ф. Ф. Билалов, Р. Р. Валиуллин, Р. Р. Бикчурин

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПО АНАЛИЗУ МАСЛА

Ключевые слова: контроль технического состояния, трансформаторы, визуализация, газо-хроматографический анализ, физико-химический анализ.

В программном комплексе реализован алгоритм обработки результатов анализа трансформаторного масла двумя методами - газо-хроматографическим и физико-химическим. Программа наглядно отображает результаты анализа трансформаторного масла и позволяет делать выводы о техническом состоянии силового трансформатора.

Keywords: technical inspection, transformers, visualization, gas-chromatographic analysis, physical and chemical analysis.

In a program complex the algorithm ofprocessing of results of the analysis of a transformer oil by two methods - gas-chromatographic and physical and chemical is realized. The program visually displays results of the analysis of a transformer oil and allows to draw conclusions about technical condition of a power transformer.

Задача контроля технического состояния и обеспечение работоспособности оборудования с большими сроками службы является актуальной в свете сложившейся экономической ситуации в энергетике, ограничившей возможности обновления парка электрооборудования.

Контроль технического состояния трансформатора в настоящее время проводится комплексным обследованием,включающим в себя: физико-химический анализ трансформаторного масла, хро-матографический анализ растворенных в масле газов, обследование трансформаторов тепловизион-ным методом, анализ частичных разрядов, контроль вибрационных параметров.

Для маслонаполненногооборудования эксплуатационное масло является диагностической средой, позволяющей оценивать техническое состояние силового оборудования. Общепризнанными методами анализамасла являются физико-химический анализ (ФХА) и хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ) [1].

В данной работе для повышения достоверности оценки состояниясилового трансформатора по результатам исследования эксплуатационного масла предложен способ интерпретациирезультатов ФХА и ХАРГ с применением программной обработки и их визуализации.

Наиболее распространёнными методами интерпретации результатов ХАРГ масла являются методики Дорненбурга, CEGB (отношения по Роджерсу), Шлизингера, дЮваля, МЭК 599, IEEE [2].

Определяющим фактором в обработке результатов анализов являются данные о нормально допустимых и предельно допустимых величинах содержания газов, растворенных в масле. По литературным данным [3] в энергетических сетях различных компаний нормальная концентрация газов в масле и предельно допустимая может отличаться в 3-5 раз, что связано с особенностями эксплуатации, обслуживания и режимом работы оборудования. Для контроля технического состояния оборудования конкретной энергокомпании по анализам масла, рекомендуется определять типичные концентрации рас-

творенных газов по базе данных для трансформаторов, эксплуатирующихся в данной энергосистеме.

Цель работы состояла в разработке программного комплекса, облегчающего оператору диагностику технического состояния трансформаторов по анализу трансформаторного масла. Программный комплекс проводит обработку и визуализацию результатов анализа масла трансформатора и выдает реко-мендациио дальнейшемтехническом обслуживания или о выводе его в ремонт.

Объектом исследования служил парк силовых трансформаторов предприятия нефтедобычи, которое насчитывает более 300 маслонаполненных трансформаторов напряжением 35/10(6) кВ и 110/35/10(6) кВ, работающих в одинаковом режиме и эксплуатирующихся в сходных условиях. Обработке подвергались массивы однородных данных ФХА и ХАГР, накопленных в базедиагностической лаборатории предприятия за 5 лет. Однородность массива данных обусловлена достаточным уровнем квалификации персонала и применением сертифицированных методов и средств измерений.

Работа проводилась в два этапа:

- сначала по базе данных ФХА и ХАГР за 5 лет устанавливались законы распределения ипредель-ные значения показателей ФХА и концентраций растворенных газов ХАГР для выборки трансформаторов напряжением 35/6кВ - 430 измерений и для выборки трансформаторов напряжения 110/35/6 кВ - 145 измерений;

- затем была создана программа контроля технического состоянияивизуализации состояния трансформаторов на основе текущих результатов анализов.

В качестве показателей ФХА рассматривались «Класс чистоты», «Влагосодержание», «Удельный вес», «Температура вспышки», «Кислотное число», «Тангенс угла диэлектрических потерь при 90 °С», «Пробивное напряжение».

Поскольку, предельные нормы зависят от класса напряжения, каждый класс напряжений был проанализирован отдельно. Проведенныйанализ статистических показателей: величин математического ожидания, среднеквадратического отклонения, размаха

доверительного интервала, а так же форм гистограммы распределения, её огибающей и интегральной функции распределения, показал, что для обоих классов напряжений законы распределения попарно носят сходный характер.

По виду распределения показатели ФХА разделились на три группы. Для величин «Влагосодержа-ние», «Пробивное напряжение» формулу огибающей можно записать экспоненциальной функцией распределения, для величин «Кислотное число», «Тангенс угла диэлектрических потерь при 90 °С» -степенной функцией, а для величин «Класс чистоты», «Удельный вес», «Температура вспышки» близки к нормальному закону распределения.

По функции, описывающей гистограмму распределения каждого показателя, были определены его типичные значения для бездефектных трансформаторов и границыдопуска в 5 %. Граница в 5% определялась как 95% значение интегральной функции распределения показателя бездефектных трансформаторов, находящихся в эксплуатации. Выбор для расчета уровня 0,95 вызван учетом мировой практики.

Границы предельно допустимых значений по нормам [1] и рассчитанные для двух классов напряжений приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Предельно допустимые и рассчитанные границы показателей ФХА

Напряжения 35/6 кВ 110/35/6 кВ

^^^^^Граница Показатели^^^^^ по РД 5% по РД 5%

Класс чистоты <13 15 <13 14

Влагосодержан.г/т <30 27 <30 27

Темп.вспышки°С >130 149 >135 149

Кисл.число,мг КОН <0,1 0,05 <0,1 0,05

Тангенс угла диэл. <8 5 <12 4

потерь

Пробивное напряжение, кВ >25 32 >30 36

Как следует из табл.1, граница в 5% длявеличин «Влагосодержание», «Кислотное число», «Тангенс угла диэлектрических потерь при 90°С», «Пробивное напряжение» оказалась внутри интервала, определенного. А для показателей «Классчистоты», 5% граница допуска для нормально работающих трансформаторов оказалась сдвинутой запредельные нормы РД [1]. В дальнейших оценках данного парка трансформаторов, предельные нормы были приняты совпадающими с РД для всех показателей кроме показателя «Класс чистоты», предельные нормы показателя «Класс чистоты» были приняты 14 для трансформаторов с высшим напряжением 110 кВ и 15 для трансформаторов 35 кВ.

Для визуализации результатов ФХА масла строилась шести-лепестковая диаграмма, по осям которой откладывались:класс чистоты, влагосодер-жание, температура вспышки, кислотное число, пробивное напряжение, тангенс угла диэлектрических потерь при 90°С, нормированные на свои предельные значения. Превышение показателем предельно-допустимого значения отражается на диаграмме выходом за единичную область.

Для повышения достоверности выводов и уменьшения числа ошибок оператора при оценке совокупных результатов ФХА и ХАРГ был разработан программный комплекс в среде Microsoft Visual Studio 2013 на языке программирования C#, в качестве базы данных использовалась БД Access. В окне программы демонстрируются результаты анализа на лепестковой диаграмме с 6 осями для ФХА и 12 осями для ХАРГ.

На рис.1 представлено главное окно программы с визуализацией результатов ФХА. В левой части главного окна осуществляется выбор метода: ХАРГ или ФХА, в правой части главного окна выбор группы подстанций и трансформатора. Здесь отражается название трансформатора, дата проведения анализа и заключение.

lalftCn;

Алясс "г—(úejpj: В премпяи норны

Äioioeodejwnwue (s/mj: Б прыыа* шрмы

Темlíjmfn^pa вспышки [С). В пределах норны

, '.Vm ' ' *..'.' г)' i п~--г—г- 'ír' J

Рис. 1 - Окно в режиме физико-химического анализа

Заключение «Пригодно» по результатам физико-химического анализа принимается, когда все значения не выходят за единичную область.

Аналогично для визуализации результатов ХАРГ была создана лепестковая диаграмма «Часы» с 12 осями, отражающая все возможные дефекты и пути их развития, представленная на рис.2.

ppm/rfav ' Sor^ cïh4

TTSCG " ЩРР^^са

a&fca Состояние изолнцчм

Дефекты термического характера

Дефекты электрического характера

Область отвечающая за зйцее количество и скорость ларостамия горючих газое

Область допустимы* концентраций

Рис. 2 - Лепестковая диаграмма для визуализации результатов ХАРГ

По осям диаграммы откладываются нормированные на свое предельно допустимое значение величины газов Н2, СН4, С2Н2, С2Н4, С2Нб, СО и отношения газов: СН4/Н2, С2Н2/С2Н4, С2Н4/С2Н6, СО2/СО, скорость нарастания в месяц.

Каждый газ образуется в трансформаторном масле при определенной температуре перегрева и характеризует дефект, вызывающий этот перегрев. Поэтому диаграмма была разбита на области, каждая из этих областей несет определенную информацию о виде дефекта, состоянии изоляции или дает рекомендацию к учащенному контролю. Оси Н2 и С2Н2 ответственны за дефекты электрического характера, оба газа являются характерными при искровых и дуговых разрядах. Оси С2Н6, СН4, С2Н4 говорят о термических дефектах, являются характерным в различных диапазонах температур и расположены в порядке возрастания температуры перегрева масла, если смотреть по часовой стрелке. С2Н6 является характерным газом при нагреве масла и бумажной изоляции в диапазоне 300-400°С, СН4 в диапазоне 400-600 °С, С2Н4 выше 600 °С. Отношение СО/СО2 говорят о состоянии твердой изоляции. Ось TDCG (сумма растворенных горючих газов) нужна для общей оценки загрязненности масла и совместно с осью рртМау (скорость нарастания в день) позволяет делать выводы об интенсивности протекания дефекта и выдавать рекомендации к учащенному контролю. Далее идут оси отношений газов С2Н4/ С2Н6, С2Н2/ С2Н4, СН4/Н2 по ним сложно визуально судить о виде дефекта, так как их значения должны совпасть в определенную комбинацию. Специально для облегчения диагностики был написан алгоритм «Определения характера дефекта в трансформаторе по отношению концентрации пар газов» [4], в основу которого были положены РД 153-34.0-46.302-00 [5].

Исходя из значений концентрации газов, их отношений и скорости нарастания делается вывод о возможном дефекте и рекомендации о дальнейших действиях с трансформатором.

В программном комплексе реализован интуитивно понятный интерфейс, помогающий оператору-легко освоить все возможности программы и принимать оперативные решения.

Дополнительно в программном пакете реализована:

- возможность просмотра всех результатов одновременно за все даты проверки;

- возможность добавления новых данных и удаление ненужных;

- взаимодействие с файлами собственного расширения .сЬт.

Реализована функция, которая позволяет распечатать график в виде отчета.

Приведем пример обработки результатов лабораторных анализов для типового по мощности и режиму работы трансформатора 4000 кВА напряжением 35/6 кВ. Для данного трансформатора хромато-графический анализ был произведен четыре раза (в феврале, мае, два раза в августе).

Первые два анализа масла были в норме. Программа показала, что концентрации газов не превы-

шают граничного значения, трансформаторное масло в нормальном состоянии.

Следующий анализ проводился через 3 месяца (10 августа 2010 г.) ХАРГ выявил проблемы в состоянии трансформатора (рис. 3).

Определение областей Заключение ХАРГ

Дата проверки: 8/10/2010 9:гз:ООАМ Дефекты электрического характера ШШ Твердая изоляция : Повракдем

Дефекты термического характера Ш Гил дефекта: Пересы олс-лттоо конструкции остова.

Возможный

Область допустимых концентрации дефект1 Неудовлетворительная изо.-гяция .тстов

мектротелиической стали;

Рис. 3 - Окно с результатами ХАГР

На представленном рис.3 окне программы можно увидеть, что содержание водорода превышает граничное значение почти в полтора раза. На осирртМау (скорость нарастания в день, %) значение превышает 3%, что свидетельствует о быстро-развивающемся дефекте. Соотношение С02/СО свидетельствует, что с высокой степенью вероятности была затронута твердая изоляция.

Трансформатор рекомендуется поставить на учащенный контроль, провести повторный отбор масла через несколько дней.

Дополнительно в области «Заключение ХАРГ» выведен тип дефекта трансформатора: в трансформаторе повреждена твердая изоляция, характер дефекта - перегрев элементов конструкции остова, возможный дефект - неудовлетворительная изоляция листов электротехнической стали.

Кроме того, появляется красный сигнал предупреждения о постановке трансформатора на учащенный контроль.

Параллельный физико-химический анализ трансформаторного масла подтвердил наличие дефекта в трансформаторе. Программный комплекс выдал рекомендацию, что данный трансформатор должен быть выведен из эксплуатации и отправлен на ремо нт.

Таким образом, разработанный программный комплекс позволяет:

- быстро оценить состояние эксплуатационного масла в трансформаторе;

- отказаться от избыточного объема испытаний;

- усовершенствовать работу оператора;

- уменьшить вероятность принятия ошибочных решений;

- повысить надежность оценки состояния масло-наполненного оборудования;

- обеспечить своевременный вывод электрооборудования в ремонт.

Литература

1. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. ЭНАС, Москва, 2014. 256 с.

2. Б. А. Алексеев, ЭЛЕКТРО, 2, 10-15

3. R. N. Kashapov, S. P. Korshunova, L. N. Malysheva, Информ. портал "TRANSFORMaTOpbi" [Эл. ресурс] URL:

темах компьютерной математики - «KAZCAS-2015» (Казань, 5-7 ноября,2015) Казанский ун-т, Казань, 2015. С. 117 - 123.

http://www.transform.ru/articles/html/07repair/rep00018. article (дата обращения 11.10.2016).

5. РД 153.340.46.302.00 Методические указания по диагностике развивающихся дефектов по результатам хроматографического анализа газов, растворённых в масле трансформаторного оборудования /Разраб. ВНИИЭ/. - М.,2001. 157с

4. Н.В. Денисова, Т.К. Филимонова, Р.Ф. Шагалиханов, В сб. Международная научно-практическая конференция - «ИТ0Н-2015». Международная школа-

семинар по математическому моделированию в сис-

© Р. А. Гимадиев - исполнительныйдиректорООО «Диагностика - ЭнергоСервис», gimadievra@mail.ru; И. В. Ившин - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) КГЭУ, ivshini@mail.ru; Н. В. Денисова - канд. физ.-мат. наук, доцент той же кафедры, natali.denisova@bk.ru; Ф. Ф. Билалов - инженер по наладке и испытаниям отдела инжиниринга и инновационных технологий ООО «Диагностика-ЭнергоСервис», farid_54@mail.ru; Р. Р. Валиуллин - инженер отдела планирования производства ООО «ТаграС-ЭнергоСервис», firzar_renat@mail.ru; Р. Р. Бикчурин - инженер по наладке и испытаниям ЦЭЛ ООО «Диагностика-ЭнергоСервис», astrider@mail.ru.

© R. A. Gimadiyev - Executive director OOO "Diagnostics - Energoservis", gimadievra@mail.ru; I. V. Ivshin - Dr. Sc. Sciences, Professor, Head. the department "Power supply of industrial enterprises" (EPG), Kazan State Power Engineering University (VPO "KSPEU"), ivshini@mail.ru; N. V. Denisova - Candidate. Sci. Sciences, associate professor of "Power supply of industrial enterprises" (EPG), Kazan State Power Engineering University (VPO "KSPEU»), natali.denisova@bk.ru; F. F. Bilalov - engineer for commissioning and testing of the department of engineering and innovative technologies of " Diagnostics - Energoservis", farid_54@mail.ru; R. R. Valiullin - engineer production planning department of "TagraS- Energoservis", firzar_renat@mail.ru; R. R. Bikchurin - engineer for commissioning and testing of TSEL LLC "Diagnostics-power", astrider@mail.ru.