СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к системам (программно-аппаратным комплексам), предназначенным для диагностики маслонаполненного высоковольтного оборудования по концентрациям газов, растворенных в масле, и может быть применена для диагностики маслонаполненных вводов высоковольтных трансформаторов и выключателей.
Уровень техники
Одним из видов диагностики маслонаполненного высоковольтного оборудования, включая его высоковольтные вводы, является определение состояния оборудования по результатам анализа концентрации газов, растворенных в трансформаторном масле. Такая диагностика осуществляется периодически в процессе эксплуатации оборудования и не требует его вывода из работы.
Известны системы диагностики маслонаполненного высоковольтного оборудования по концентрациям газов, растворенных в масле, содержащие газовый хроматограф, снабженный блоком подготовки пробы, и программируемый модуль обработки данных, связанные интерфейсом передачи данных [1-3]. Известные системы выполнены (о чем сообщается в их рекламной и эксплуатационной документации) с возможностью диагностики высоковольтных вводов маслонаполненного оборудования в соответствии со стандартом 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.] и в соответствии с рекомендациями завода «Мосизолятор» [«Методические указания по диагностике состояния изоляторов высоковольтных вводов 110-750кВ», М., Мосизолятор, 1994 г.].
Раздел 9 «Определение наличия дефекта в высоковольтных герметичных вводах трансформаторов по результатам анализа растворенных в масле газов» указанного стандарта предусматривает выполнение системы диагностики с возможностью хроматографического определения концентраций четырех углеводородных газов: ацетилена, метана, этана, этилена, сравнения концентрации ацетилена и суммарной концентрации всех указанных газов с соответствующими граничными концентрациями и - при их превышении - отбраковку диагностируемого высоковольтного ввода без определения вида дефекта.
Раздел 3 рекомендаций завода «Мосизолятор» предусматривает выполнение системы диагностики высоковольтных вводов с возможностью хроматографического определения концентраций водорода и четырех углеводородных газов: ацетилена, метана, этана, этилена, сравнения концентраций водорода, ацетилена и суммарной концентрации указанных четырех углеводородных газов с соответствующими граничными концентрациями и - при их превышении - отбраковку диагностируемого высоковольтного ввода без определения вида дефекта. При этом имеется возможность выбирать вектор граничных концентраций (координатами вектора служат концентрации водорода, ацетилена и суммарная концентрация указанных четырех углеводородных газов) в соответствии с вводимыми в систему диагностики значениями двух характеристик диагностируемого ввода. Такими характеристиками являются: класс напряжения (вводятся значения одного из трех классов напряжения:  110-150 кВ, 220-330 кВ или 500-750 кВ) и марка масла (вводится значение одной из двух марок масла: ГК или Т-750).
Недостаток известных систем диагностики - низкая достоверность отбраковки и отсутствие возможности автоматизированного выявления типа дефекта, развивающегося в диагностируемом вводе.
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение достоверности и информативности диагностики. Предлагаемая система диагностики позволяет более достоверно выявлять наличие развивающегося дефекта и определять его вид.
Предметом полезной модели является система диагностики высоковольтных вводов маслонаполненного оборудования 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, пяти характеристик диагностируемого ввода, поочередной выборки из блока памяти векторов аномальных концентраций, вычисления меры близости каждого из них 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 уточнения и 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 ввод по одному из четырех классов напряжения, одному из трех временных диапазонов срока эксплуатации, одному из двух типов защиты масла, одной из двух марок масла и одному из двух видов назначения;
- с возможностью вычисления указанной меры близости по среднеквадратичному критерию, взвешенному в соответствии с вектором аномальных концентраций;
- с возможностью модификации координат поочередно выбираемых векторов аномальных концентраций в соответствии с выбранным вектором граничных концентраций;
- с возможностью формировать, хранить и обрабатывать масштабированные векторы 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.
Развития полезной модели направлены на повышение удобства ее длительной эксплуатации с периодическим учетом накопленной статистики по концентрациям растворенных газов и дефектам в маслонаполненных вводах.
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, пяти характеристик диагностируемого ввода. Кроме того, модуль 4 выполнен с возможностью поочередной выборки из блока 7 векторов аномальных концентраций, вычисления меры близости каждого из них 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.
Помимо векторов граничных концентраций и векторов аномальных концентраций в блоке 7 могут храниться весовые векторы и модифицирующие векторы. Каждый вектор граничных концентраций и каждый модифицирующий вектор соответствуют одному возможному сочетанию значений характеристик высоковольтного ввода. Каждый вектор аномальных концентраций и каждый весовой вектор соответствуют одному типу развивающегося дефекта, характерному для высоковольтных вводов.
Система диагностики работает следующим образом.
Блок 2 подготавливает к хроматографическому анализу пробу трансформаторного масла, взятую из маслонаполненной полости диагностируемого высоковольтного ввода (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 (данные хрома то графического 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 данных хроматографического анализа в блоке 6 формирует 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 пяти характеристик диагностируемого маслонаполненного высоковольтного ввода, из которого взята анализируемая проба масла.
Одно вводимое значение характеризует класс напряжения высоковольтного ввода (эта характеристика может иметь одно из четырех значений: 110, 220, 330, 50(кВ). Второе вводимое значение характеризует временной диапазон срока эксплуатации высоковольтного ввода (эта характеристика может иметь одно из трех значений: до 10 лет, 10-20 лет, более 20 лет). Третье, четвертое и пятое вводимые значения характеризуют тип защиты масла (ввод герметичного или негерметичного исполнения), марку масла (ГК или Т-750) и назначение высоковольтного ввода (ввод трансформатора или ввод выключателя) соответственно.
В соответствии с введенными через блок 9 значениями характеристик модуль 4 выбирает один из хранимых в блоке 7 векторов граничных концентраций. 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 ввода (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 вводе развивающегося дефекта, и переходит к определению вида такого дефекта.
Для этого модуль 4 поочередно выбирает из блока 7 хранимые в нем векторы аномальных концентраций и вычисляет в блоке 6 меру близости каждого из них 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, «слабое искрение», «сильное искрение», «частичные разряды», «нагрев», «тепловой пробой», «образование x-воска» и т.д.) в качестве результата диагностики.
Координаты векторов аномальных концентраций могут уточняться с учетом вектора граничных концентраций, ранее выбранного по характеристикам диагностируемого ввода. Это может быть сделано, например, путем хранения в блоке 7 для каждого определяемого дефекта не одного, а группы векторов аномальных концентраций (по числу возможных векторов граничных концентраций). В другом случае это может быть сделано путем хранения в блоке 7 векторов аномальных концентраций в обобщенном виде (например, для гипотетического маслонаполненного ввода со средними граничными концентрациями) и последующей модификации координат выбранного из блока 7 обобщенного вектора. Для такой модификации модуль 4 использует ранее выбранный вектор граничных концентраций и соответствующий ему модифицирующий вектор, который также может либо храниться в блоке 7, либо вычисляться блоком 6 с использованием всего массива векторов граничных концентраций, хранимых в блоке 7.
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 но 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 4юрмулы полезной модели, обеспечивает проведение диагностики ввода:
- с отбраковкой по индивидуальным концентрациям растворенных в масле водорода, оксида и диоксида углерода, ацетилена, метана, этана и этилена (известные системы отбраковывают маслонаполненные вводы по суммарной концентрации углеводородных газов и концентрации ацетилена);
- с определением вида дефекта по вектору аномальных концентраций, наиболее близкому к вектору измеренных концентраций (известные системы не определяют вид дефекта);
- с расширенной дифференциацией диагностируемых вводов (по пяти характеристикам) при определении граничных и аномальных концентраций (известные системы различают диагностируемые вводы только по двум характеристикам).
Это позволяет системе более достоверно отбраковывать вводы с развивающимся дефектом и выдавать информацию не только о наличии, но и о виде развивающегося дефекта, что, в свою очередь, позволяет оценить возможность продолжения и допустимое время эксплуатации отбракованного ввода.
Развития, предусмотренные зависимыми пунктами формулы полезной модели, 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 маслонаполненных вводах 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 01.02.2008 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 01.02.2008 г.).