СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Область техники
Полезная модель относится к системам (программно-аппаратным комплексам), предназначенным для диагностики маслонаполненного высоковольтного оборудования по результатам хроматографического анализа растворенных в масле газов (общепринятая аббревиатура ХАРГ), и может быть применена для диагностики маслонаполненных измерительных трансформаторов (трансформаторов тока и трансформаторов напряжения).
Уровень техники
Одним из видов определения состояния маслонаполненного высоковольтного оборудования является его диагностика по результатам ХАРГ, которая осуществляется периодически в процессе эксплуатации. Известны системы диагностики маслонаполненного высоковольтного оборудования по результатам ХАРГ, содержащие газовый хроматограф, снабженный блоком подготовки пробы, и программируемый модуль обработки данных, связанные интерфейсом передачи данных [1-3]. Известные системы диагностики по результатам ХАРГ, как правило, выполнены (о чем сообщается в их рекламной и эксплуатационной - документации) с возможностью диагностики маслонаполненных трансформаторов в соответствии со стандартом [4], регламентирующим диагностику силовых трансформаторов и их вводов.
Что касается диагностики маслонаполненных измерительных трансформаторов (ИТ) по результатам ХАРГ, то в настоящее время отсутствуют российские стандарты и нормативы для ее проведения, но существуют международные стандарты МЭК[5] и рекомендации СИГРЭ [6]. Поэтому на практике для диагностики эксплуатируемых в энергосистемах России и стран СНГ измерительных трансформаторов отечественного
производства используют системы, выполненные (запрограммированные) с возможностью проведения диагностики ХАРГ либо по аналогии с силовыми трансформаторами по российскому стандарту [4], либо в соответствии с международными документами - стандартом МЭК [5] или рекомендациям СИГРЭ [6].
Системы диагностики ИТ, выполненные на основе стандарта [4], не учитывают различия между ИТ и силовыми трансформаторами по режимам эксплуатации и по конструкции (включая тип твердой (бумажной) изоляции и отношение ее объема к объему масла), следствием которых являются различия в проявлениях и причинах развивающихся дефектов, выявляемых при диагностике по результатам ХАРГ. Системы диагностики ИТ, выполненные на основе стандарта [5] или рекомендаций [6], не дифференцируют критерии диагностики в зависимости от типа и эксплуатационных характеристик ИТ. Вследствие этого, известные системы диагностики ИТ по результатам ХАРГ не обеспечивают необходимую для практики достоверность выявления развивающегося дефекта и не позволяют определить его вид.
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение достоверности и информативности диагностики ИТ. Предлагаемая система диагностики позволяет более достоверно выявлять наличие в измерительном трансформаторе развивающегося дефекта и определять его вид.
Предметом полезной модели является система диагностики маслонаполненных измерительных трансформаторов по концентрациям растворенных в масле газов, содержащая хроматограф, снабженный блоком подготовки пробы и связанный по интерфейсу передачи данных с модулем обработки данных, который снабжен общей шиной и подключенными к ней блоками цифровой обработки, памяти, ввода и вывода, при этом хроматограф выполнен с возможностью анализа концентраций водорода, этилена, ацетилена, метана, этана, оксида и диоксида углерода,
растворенных в пробе трансформаторного масла, а модуль обработки данных - с возможностью покоординатного сравнения вектора измеренных концентраций, сформированного по данным, поступившим от хроматографа, с вектором граничных концентраций, выбранным из блока памяти в соответствии с введенными через блок ввода значениями, по меньшей мере, шести характеристик диагностируемого трансформатора, поочередной выборки из блока памяти векторов аномальных концентраций, соответствующих характеристике назначения диагностируемого измерительного трансформатора, вычисления меры близости каждого выбранного вектора аномальных концентраций к вектору измеренных концентраций, превысившему, по меньшей мере, по одной координате вектор граничных концентраций, и вывода сигнала, соответствующего, по меньшей мере, одному вектору аномальных концентраций, наиболее близкому к вектору измеренных концентраций.
Это позволяет получить указанный выше технический результат.
Полезная модель имеет развития, которые состоят в том, что модуль обработки данных выполнен:
- с возможностью выборки вектора граничных концентраций из блока памяти в соответствии с введенными через блок ввода значениями, характеризующими диагностируемый трансформатор по одному из пяти классов напряжения, одному из трех временных диапазонов срока эксплуатации, одному из двух типов защиты масла, одной из трех марок масла, одному из двух типов твердой изоляции и одному из двух видов назначения;
- с возможностью вычисления указанной меры близости по среднеквадратичному критерию, взвешенному в соответствии с вектором аномальных концентраций;
- с возможностью формирования, хранения и обработки масштабированных векторов концентраций с масштабом по координатам,
соответствующим оксиду и диоксиду углерода, в 100-200 раз меньше, чем по остальным газам, и
- с возможностью нормировать и денормировать масштабированные векторы концентраций по сумме координат.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитий.
Блок-схема системы диагностики приведена на фиг.1. Она содержит: хроматограф 1, снабженный блоком 2 подготовки пробы и интерфейсным блоком 3, и программируемый модуль 4 обработки данных, снабженный общей шиной 5 и подключенными к ней блоком 6 цифровой обработки, блоком 7 памяти, интерфейсным блоком 8, блоком 9 ввода и блоком 10 вывода. Хроматограф 1 связан с модулем 4 по интерфейсу передачи данных, который образуют соединенные между собой интерфейсные блоки 3 и 8.
Хроматограф 1 выполнен с возможностью анализа концентраций водорода, этилена, ацетилена, метана, этана, оксида и диоксида углерода, растворенных в пробе трансформаторного масла. Программируемый модуль 4 выполнен с возможностью покоординатного сравнения вектора измеренных концентраций, сформированного по данным, поступившим от хроматографа 1, с вектором граничных концентраций, выбранным из блока 7 в соответствии с введенными через блок 9 ввода значениями, по меньшей мере, шести характеристик диагностируемого ИТ. Кроме того, модуль 4 выполнен с возможностью поочередной выборки из блока 7 векторов аномальных концентраций, соответствующих характеристике назначения диагностируемого ИТ, вычисления меры близости каждого выбранного вектора к вектору измеренных концентраций, превысившему, по меньшей мере, по одной координате вектор граничных концентраций, и вывода через блок 10 сигнала, соответствующего, по меньшей мере, одному вектору аномальных концентраций, наиболее близкому к вектору измеренных концентраций.
Каждый вектор граничных концентраций соответствует одному возможному сочетанию значений характеристик ИТ. Вектор граничных
концентраций может иметь два уровня: допустимый и предельно-допустимый. Помимо векторов граничных концентраций и векторов аномальных концентраций в блоке 7 могут храниться весовые векторы Каждый вектор аномальных концентраций и каждый весовой вектор соответствуют одному виду развивающегося дефекта, свойственному ИТ с одним из двух значений характеристики назначения. Для этого векторы аномальных концентраций и весовые векторы хранятся в блоке 7 двумя группами, а блок 4 выбирает указанные векторы из той группы, которая соответствует введенной через блок 9 характеристике назначения, т.е. выбирает группу в зависимости от того является ли диагностируемый ИТ трансформатором тока (ТТ) или трансформатором напряжения (ТН). Количество хранимых векторов аномальных концентраций в указанных двух группах может быть не одинаковым, например, 9 векторов для ТТ и 3 вектора для ТН.
Система диагностики работает следующим образом.
Блок 2 подготавливает к хроматографическому анализу пробу трансформаторного масла, взятую из маслонаполненной полости диагностируемого измерительного трансформатора (блок 2 может быть выполнен, например, по патенту на полезную модель RU37831U1 МПК G01 25/14, 2004 г. «Устройство для подготовки жидкости к анализу на хроматографе»).
Хроматограф 1 анализирует концентрации, по меньшей мере, семи указанных газов, растворенных в пробе трансформаторного масла, с использованием тех или иных детекторов (например, детектора по теплопроводности и пламенно-ионизационного детектора). Он измеряет (например, последовательно) концентрации водорода, этилена, ацетилена, метана, этана, оксида и диоксида углерода, растворенных в пробе трансформаторного масла, и через интерфейсный блок 3 выдает соответствующие данные (результаты хроматографического анализа) в
модуль 4 обработки данных. Интерфейсный блок 8 принимает данные от хроматографа 1 и через общую шину 5 передает их в блок 6.
В результате обработки полученных данных в блоке 6 формируется вектор измеренных концентраций, координатами которого служат величины концентраций указанных семи газов, растворенных в трансформаторном масле.
Через блок 9 в модуль 4 вводятся (например, оператором) следующие значения шести характеристик диагностируемого ИТ, из которого взята анализируемая проба масла.
Одно вводимое значение характеризует класс напряжения ИТ (эта характеристика может иметь одно из пяти значений: 110, 220, 330, 500, 750кВ). Второе вводимое значение характеризует временной диапазон срока эксплуатации ИТ (эта характеристика может иметь, например, одно из трех значений: до 1,5 лет, 1,5-19 лет, более 19 лет). Третье, четвертое и пятое вводимые значения характеризуют один из двух типов защиты масла (ИТ с пленочной защитой или со свободным дыханием), одну из трех марок масла (ТКП, ГК или Т-750) и один из двух видов назначения ИТ (ТТ или ТН) соответственно. Шестое вводимое значение характеризует тип твердой изоляции (бумажно-маслянная или бумажно-маслянная конденсаторного типа).
В соответствии с введенными через блок 9 значениями характеристик модуль 4 выбирает один из хранимых в блоке 7 векторов граничных концентраций допустимого уровня. Затем блок 6 осуществляет покоординатное сравнение с выбранным вектором граничных концентраций ранее сформированного вектора измеренных концентраций.
Если при таком сравнении блок 6 зафиксирует, что измеренная концентрация не превышает граничную концентрацию ни по одной из семи координат (т.е. ни для одного из семи анализируемых газов), модуль 4 через блок 10 выводит сигнал, сообщающий оператору об исправности диагностируемого ИТ (т.е. об отсутствии в нем развивающегося дефекта).
Если при указанном сравнении блок 6 зафиксирует превышение вектором измеренных концентраций выбранного вектора граничных концентраций, хотя бы по одной из семи координат, модуль 4 выводит через блок 10 сигнал, сообщающий оператору о наличии в диагностируемом ИТ развивающегося дефекта, и переходит к определению вида такого дефекта.
Для этого модуль 4, в соответствии с введенным через блок 9 значением, характеризующим одно из двух видов назначения диагностируемого ИТ, определяет одну из двух групп векторов аномальных концентраций, хранимых в блоке 7 (группу векторов для ТТ или группу векторов для ТН), поочередно выбирает входящие в нее векторы аномальных концентраций и вычисляет в блоке 6 меру близости каждого из выбранных векторов к вектору измеренных концентраций, для которого зафиксировано вышеуказанное превышение граничной концентрации.
Мера близости двух векторов может вычисляться блоком 6, например, по среднеквадратичному критерию, т.е. в виде взвешенной суммы квадратов разностей одноименных координат. Весовые коэффициенты перед слагаемыми этой суммы образуют весовой вектор. Могут использоваться различные весовые векторы для каждого вектора аномальных концентраций (и, следовательно, для каждого диагностируемого дефекта). Весовые векторы хранятся в блоке 7 и поочередно выбираются из него вместе с соответствующим вектором аномальных концентраций.
Запомнив полученные результаты и сравнив их между собой, модуль 4 определяет вектор аномальных концентраций, наиболее близкий к вектору измеренных концентраций, полученному в результате хроматографического анализа. Возможно также определение следующего по близости вектора аномальных концентраций. При этом модуль 4 формирует соответствующий сигнал. Этот сигнал, несущий информацию о наиболее вероятном дефекте (или, в сложных случаях, о двух таких дефектах) выводится через блок 10 для индикации наименования развивающегося дефекта (например, «частичные разряды», «разряды», «разряды высокой
энергии, сопровождающиеся нагревом», «частичные разряды, сопровождающиеся средним нагревом», «частичные разряды, сопровождающиеся слабым нагревом», «старение и т.д.) в качестве результата диагностики.
После определения вида развивающегося дефекта вектор измеренных концентраций может дополнительно сравниваться с вектором граничных концентраций предельно-допустимого уровня. Если концентрация хотя бы одного из семи газов превышает предельно-допустимый уровень, то к наименованию развивающегося дефекта, которое выводится через блок 10, добавляется сообщение «опасная стадия развития дефекта».
В процессе выполнения описанных функций (при формировании, хранении, обработке векторов) модуль 4 может оперировать с масштабированными векторами концентраций (измеренных, граничных, аномальных). Концентрации оксида и диоксида углерода в масштабированных векторах уменьшены в 100-200 раз, а концентрации остальных газов оставлены без изменения. При таком масштабировании координаты векторов становятся величинами одного порядка (фактические концентрации окислов углерода на 2 порядка больше концентраций остальных газов), что упрощает цифровую обработку.
При выполнении описанных функций модуль 4 может оперировать с масштабированными векторами концентраций, представленными в нормированном или в ненормированном виде и преобразовывать векторы одного вида в другой. Координаты нормированных векторов представлены в относительных, а ненормированных - в абсолютным единицах измерения концентраций (например в ppm или в мкл/л). Нормировка осуществляется по сумме всех координат масштабированного вектора. Для этого модуль 4 может вычислять сумму координат масштабированных векторов концентраций и нормировать их путем деления координат ненормированного вектора на указанную сумму. Умножением на
соответствующую сумму нормированные векторы могут быть денормированы.
Из вышеописанного следует, что совокупность признаков предлагаемой системы диагностики, которыми она охарактеризована в независимом пункте формулы полезной модели, обеспечивает проведение диагностики ИТ:
- с расширенной дифференциацией диагностируемых параметров (по шести характеристикам измерительных трансформаторов) при определении граничных и аномальных концентраций (известные системы при диагностике по результатам ХАРГ учитывают различия силовых трансформаторов [4] по трем характеристикам, а различия в характеристиках ИТ [5], [6] не учитывают вовсе).
- с определением вида дефекта по вектору аномальных концентраций, наиболее близкому к вектору измеренных концентраций (известные системы не определяют вид дефекта в измерительных трансформаторах);
Это позволяет предлагаемой системе выявить ИТ, имеющие развивающийся дефект, с достаточной для практики достоверностью и выдавать информацию о виде развивающегося дефекта, что, в свою очередь, позволяет оценить возможность продолжения эксплуатации или необходимость отбраковки диагностируемого ИТ, если дефект находится в опасной стадии.
Развития, предусмотренные зависимыми пунктами формулы полезной модели, характеризуют частные случаи ее осуществления и направлены на то, чтобы сделать систему диагностики более удобной в длительной эксплуатации, при которой накапливаются и периодически учитываются статистические данные о концентрациях растворенных газов и о видах дефектов в ИТ различных типов.
Источники информации
1. Каламбет Ю.А. Программно-аппаратный комплекс «Мультихром» для автоматизации хроматографического анализа. Методы и средства
оценки состояния энергетического оборудования. 2001 г., выпуск 16, С.-Петербург, ПЭИПК, стр.69-75.
2. Научно-производственная фирма «Мета-хром». Анализ трансформаторного масла. Программно-аппаратный комплекс на базе автоматизированного многоканального газового хроматографа "Кристаллюкс-4000М". (Электронный ресурс). URL: http://www.meta-chrom.ru/chromatograms/transformer_oil.php (дата обращения 01.12.2008 г.).
3. «МП Диагност». Диагностические и измерительные приборы. Приборы контроля трансформаторного масла. Модель TFGA-P200. (Электронный ресурс). URL: http://www.diagnost.ru/oil_l.htm (дата обращения 01.12.2008 г.).
4. РД 153-34.0-46.302-00. «Методические указания по диагностике дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле» М., ОАО «ВНИИЭ», 2001 г.
5. Стандарт МЭК. Документ IEC 60599. Mineral oil-impregnated electrical equipment in service - Guide to the interpretation of dissolved and free gases analysis. 1999-03.
6. Рекомендации СИГРЭ. Lewis К.G. и др. "Методы диагностики в/в ТТ и вводов" Ежегодная конференция клиентов американской фирмы DOBLE "Proceedings Failure Prediction and Prevention", Symposium, Oregon, pp.III-1-1-III-1-16, 2000 г.