Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

Методология системы диагностики электрооборудования высокого напряжения
 

Методология системы диагностики электрооборудования высокого напряжения

Вдовико В.П.

 

 

Потребность в обеспечении эксплуатационной надежности электрооборудования настолько очевидна, что применение методов, устанавливающих образование каких-либо неисправностей в этом оборудовании, считается безусловным [1]. Контроль технического состояния электрооборудования и выявление неисправностей с целью их удаления и обеспечения эксплуатационного ресурса достигаются применением эффективных методов и средств диагностирования оборудования.

Среди сложных технических устройств, требующих диагностирования при эксплуатации, электроэнергетическое оборудование высокого напряжения (высоковольтное оборудование) занимает особое место. Это оборудование как никакое другое подвержено комплексному воздействию сильных электрических, электромагнитных и тепловых полей и электродинамических усилий. В связи с этим электрооборудование подвержено риску образования дефектов, неисправностей и отказов. Поэтому для предупреждения образования дефектов и неисправностей и поддержания эксплуатационной надежности оборудования применяется контроль оборудования в виде системы диагностики.

Диагностика технических устройств вообще, в том числе и высоковольтного электрооборудования, — это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния электрооборудования в условиях его эксплуатации [2—4]. Диагностика как наука и ее практическое приложение находятся на стыке разделов различных наук. Прежде всего, это относится к физике и химии в части поведения и изменения свойств материалов различного (от газообразных до твердых тел) и процессов, протекающих в них под действием различных факторов. Это относится также и к математике в части методов анализа и статистической обработки экспериментальных данных и программирования для решения сложных задач на ЭВМ.

Как известно, высоковольтное оборудование подвержено высокому риску образования дефектов и неисправностей и имеет достаточно высокую аварийность. Применяемые сегодня методы профилактики и выявления неисправностей [5] позволяют лишь в некоторой степени уменьшить отказы.

Основными задачами диагностирования являются [2, 6 и др.]:

  • определение технического состояния электрооборудования в условиях изменяющихся эксплуатационных воздействий;
  • выявление вида и степени опасности дефекта;
  • прогнозирование остаточного ресурса или срока службы.
  • Эти задачи достаточно обширны и требуют конкретизации в зависимости от вида оборудования и его места в электроснабжении региона. Решение о применении вида диагностирования в части его полноты основывается на технико-экономическом обосновании. Такое решение является чисто потребительским. С одной стороны, ставится задача объективного определения состояния оборудования при использовании комплекса диагностических параметров и их функциональные связи; с другой — выявляется потребность в ограничении материальных ресурсов, т.е. экономика может существенно сужать задачи диагностирования, при этом не будет обеспечиваться объективное определение состояния оборудования.

    Система технического диагностирования (СД) представляет собой совокупность объекта и средств, необходимых для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в нормативно-технической документации (НТД).

    Структурная схема СД является многоуровневой и может быть представлена в виде трех ее функциональных частей (подсистем): f (Xкр , Хизм) — блок модели анализа и преобразования параметров; f (Xкр ) — блок модели технического состояния; f (X) — блок модели динамических характеристик и развивающихся дефектов; τ(Х) — блок модели остаточного ресурса; БД1, БД2, БД3 — базы данных диагностических параметров.

    Подсистема 1-го уровня обеспечивает:

  • хранение информативных параметров;
  • измерение диагностических параметров;
  • обработку измеряемых диагностических параметров, представляя их в нормализованном виде, и передачу результатов измерения в обработанном виде в базу данных;
  • определение соответствия значений измеренных параметров нормированным значениям и формирование заключения о соответствии технического состояния объекта требованиям НТД;
  • формирование сигнала опасности эксплуатации объекта при превышении значений измеряемых параметров нормированных значений;
  • прием командных сигналов на изменение чувствительности датчиков, длительности и периодичности измерения и синхронизации.
  • Подсистема 2-го уровня обеспечивает:

  • определение вида и места развивающихся дефектов;
  • расчет производных и динамических диагностических параметров;
  • определение ретроспективы диагностических параметров;
  • определение степени опасности развивающихся дефектов;
  • изменение алгоритма работы подсистемы по команде верхнего уровня;
  • передачу результатов расчета и анализа в базу данных;
  • формирование сигнала об изменении режима работы системы охлаждения объекта.
  • Подсистема 3-го уровня обеспечивает оценку остаточного ресурса объекта.

    Исходя из основных задач технического диагностирования первичным актом должно быть определение вида технического состояния. При установлении факта неисправности и дефекта последующий шаг направлен на поиск места, вида и опасности дефекта и определение причин неисправности.

    В объекте могут образовываться и развиваться явные и неявные виды дефектов, а диагностироваться могут только явные дефекты. К категории неявного дефекта относится дефект, который не может быть обнаружен из-за отсутствия метода и средств его обнаружения.

    Определение технического состояния деталей и элементов оборудования и всех видов нарушений в их функционировании происходит с использованием диагностических параметров.

    Диагностические параметры подразделяются на три типа:

  • параметры информационного вида, представляющие объектную характеристику Хинф;
  • параметры, представляющие текущую техническую характеристику элементов (узлов) объекта Хi;
  • параметры, представляющие собой производные нескольких параметров Хпр.
  • К параметрам информационного вида Хинф относятся: тип объекта; время ввода в эксплуатацию и период эксплуатации; ремонтные работы, проводимые на объекте; нахождение объекта в нештатных ситуациях; технические характеристики объекта, полученные при испытании на заводе-изготовителе и/или при вводе в эксплуатацию; нормированные значения диагностических параметров Хкр; технические характеристики Xi объекта в виде ретроспективы абсолютных значений во времени Хi (t) или их производной (dX / dt)(t).

    Нормированные значения Хкр используются для сопоставления их значений с измеренными диагностическими параметрами. Другие параметры информационного вида используются преимущественно в тех случаях, когда измеряемые диагностические параметры имеют значения, приближающиеся к предельным нормированным значениям Хкр, и динамические характеристики dXi / dt имеют высокие значения.

    К диагностическим параметрам Xt, представляющим текущую техническую характеристику элементов (узлов) объекта, относятся измеренные параметры в текущий момент. Эти параметры в зависимости от вида оборудования могут различаться. В то же время целый ряд объектов контроля использует один и тот же вид параметров; эти параметры могут иметь лишь различные нормированные значения.

    Число измеряемых диагностических параметров зависит от вида оборудования и степени развитости методов диагностирования. Так, число измеряемых диагностических параметров силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов может достигать 38, масляных выключателей — 29, элегазовых выключателей — 25, ограничителей перенапряжения и разрядников — 10, разъединителей (с приводом) — 14, маслонаполненных измерительных трансформаторов и конденсаторов связи — 9.

    Для более объективной оценки технического состояния целесообразно использовать комплекс диагностических параметров. Однако использование этого комплекса в полном объеме может зависеть, в основном, от класса напряжения контролируемого объекта и мощности силового оборудования, в частности (авто)трансформаторов и реакторов. Если для оборудования 500—750 кВ указанный комплекс параметров вполне приемлем, то для оборудования ПО кВ он может быть избыточен по признаку технико-экономической неэффективности.

    Как видно из приведенных видов диагностических параметров, число и вид параметров зависит, естественно, от вида контролируемого объекта. Лишь ограниченное число параметров является общей частью любого вида объекта.

    Техническое состояние любого объекта можно установить при разовом и многократном диагностировании. При разовом диагностировании высоковольтного оборудования, состоящего из множества элементов, вероятность объективной оценки технического состояния мала. Следовательно, только случайно можно обнаружить стохастические дефекты при одноразовом диагностировании. Вероятность надежной и объективной оценки технического состояния повышается по мере увеличения числа актов контроля. Это обстоятельство является основанием для введения многократного диагностирования с определенной периодичностью, т.е. мониторинга диагностических параметров.

    Важным моментом в определении диагностических параметров является периодичность их регистрации. Периодичность регистрации должна зависеть от скорости возможного образования и развития дефекта в любом контролируемом узле или детали объекта. При нормальном режиме работы оборудования процессы старения чрезвычайно медленны. Срок службы устанавливается исходя из старения наиболее критических узлов оборудования. Если принять установленный срок службы 40 лет, то для выявления степени старения достаточно было бы иметь периодичность около трех месяцев. При появлении дефектов процесс старения значительно ускоряется. Из числа выявленных на практике видов дефектов наиболее быстро развивающимися являются электрические разряды (частичные разряды). Результаты исследования этих процессов в изоляции маслонаполненных вводов 220 кВ и измерительных трансформаторов тока 500 кВ показывают, что минимальная периодичность регистрации диагностических параметров, характеризующих состояние электрической изоляции, может составлять 2 ч.

    Существуют дискретные сигналы от устройств защиты, действующих на отключение, момент действия которой следует также отнести к диагностическим параметрам, поступающим в блок подсистемы анализа сервера АСУ ТП ПС (или сервера локальной системы диагностирования). Такие дискретные сигналы могут иметь периодичность 1—2 мс.

    Существуют также диагностические параметры, которые определяются только по факту образования явления.» К таким параметрам относятся, например, сигнал срабатывания газового реле или устройств сброса давления, амплитуда и основная частота перенапряжения, амплитуда и основная частота напряжения при срабатывании разрядника (ограничителя перенапряжения) или коммутации разъединителями или выключателями, амплитуда и основная частота тока при коротком замыкании. В этом случае регистрация сигналов проводится собственно от возникших сигналов явлений.

    В настоящее время существует возможность измерять автоматически основную часть текущих диагностических параметров техническими средствами под рабочим напряжением (т.е. в режиме «on-line»). Диагностирование проводится в циклической форме; каждый цикл включает в себя измерение всего комплекса параметров при обязательной регистрации параметров хотя бы один раз.

    Основу системы диагностирования составляют аналитические модели.

    При диагностировании оборудования знание взаимодействия событий при образовании дефекта является важнейшим условием определения логической цепи событий при создании моделей технического состояния узлов, систем и объекта в целом. Следовательно, построение схем событий является составной частью методики диагностирования при анализе результатов измерения параметров контролируемого оборудования.

    Модели являются основной частью алгоритмов диагностирования [7. 8 и др.]. От полноты описания объекта и функциональных связей явлений в объекте зависит и надежность результатов диагностирования. Структуру высоковольтного оборудования можно в общем виде сравнить со структурой физических твердых тел, имеющих макроскопическую неоднородность. Общим для них является наличие множества элементов, изменение свойств которых или исключение какого-либо из них может привести к изменению свойств объекта, в предельном состоянии — прекращению функционирования. Общим для них является также изменение их свойств (состояния) при внешних воздействиях эксплуатационных факторов.

    Модель состоит из ряда частей (блоков), имеющих функциональную связь между собой. Как правило, такие части не рассматриваются изолированно. Их суммарный вклад в функционирование модели в целом обусловлен взаимодействием частей между собой. При диагностировании оборудования важно знать последовательность событий, которые могут приводить к отказу деталей и узлов. При этом учитываются те физические процессы, которые определяют деградацию материалов и конструкций [9, 10 и др.]. Следует согласиться с автором [11] о целесообразности построения и анализа своеобразного «дерева отказов» или «дерева событий», представляющего последовательность возникновения условий, приводящих в целом объект или его систему к отказу. Следовательно, в модели математически описываются происходящие в объекте физические процессы.

    Модель технического состояния f (Xкр ) является основным элементом подсистемы 1-го уровня СД; эта модель технического состояния узлов, систем объекта или объекта в целом и отвечает на вопрос: есть дефект или нет, т.е. имеют ли значения измеренных диагностических параметров равные или превышающие нормированные значения? В модель технического состояния входят несколько моделей, относящихся к системам объекта, например электроизоляционная система, система охлаждения и др., и к узлам системы.

    Модель технического состояния представляет собой описание узла, системы объекта или объекта диагностирования в целом в нескольких состояниях:

  • Модель технического состояния представляет собой описание узла, системы объекта или объекта диагностирования в целом в нескольких состояниях:
  • узел, система объекта или объект в целом в исправном состоянии;
  • деталь, узел, система объекта имеет дефект, не представляющий в данный момент опасности для эксплуатации, но приводит к ограничению функционирования объекта;
  • узел, система объекта или объект в целом имеет дефект, представляющий в данный момент опасность для эксплуатации объекта и требующий принятия мер к исключению аварийной ситуации, т.е. объект находится в неисправном состоянии.
  • Описание проводится в виде формальных зависимостей между возможными воздействиями на узел, систему объекта или объект и его реакцией на эти воздействия.

    Важным элементом системы диагностирования является определение характера развития дефектов, начиная от стадии их образования до достижения нормированных значений диагностических параметров, описывающих этот дефект. Модель развивающихся дефектов или модель степени опасности дефектов f (X, τ) представляет собой функцию уровня опасности дефектов Кd, являющуюся зависимостями статических Xст = Xi / Xкрi и динамических Хдинi =dXi /dt или Xдинi =(Xi2-Xi1)/ Δt параметров. Уровень опасности Кd определяется максимальными значениями параметров ХСТ и Хдинi;

    После измерения диагностических параметров Хi проводится сопоставление значений Xi с Xкрi с целью поиска диагностических параметров, имеющих значения, равные или превышающие значения соответствующих Xкрi.

    При нахождении Хi, значение которого равно или превышает значение соответствующего Xкрi, формируется сигнал «неисправное состояние» и диагностирование завершается. При отсутствии Xi, значение которого равно или превышает значение соответствующего Xкрi, измеренные параметры Xi передаются в базу данных БД2 и затем проводится их анализ с использованием нормированных значений Xкр с целью определения степени опасности Kd развивающегося дефекта. В соответствии с установленным значением Кd формируется сигнал управления и цикл диагностирования завершается.

    После завершения цикла диагностирования в соответствии с установленной периодичностью измерения диагностических параметров передается команда на начало нового цикла измерения.

    Модель остаточного ресурса основана на применение функциональной зависимости остаточного ресурса τ0 от диагностических параметров и их производных. Исходными данными этой модели являются значения Хст и Хдин i, которые были определены в модели f (X) и введены в блок Кd и затем в базу данных БДЗ. Анализ зависимости τ(Х) позволяет получить значение τ0, которое является остаточным ресурсом объекта. Следует отметить, что устранение выявленных дефектов приводит к нению значений диагностических параметров и соответственно к изменению значения остаточного ресурса.

    Список литературы

    1. Волков Э.П., Баринов В.А. Стратегия развития электроэнергетики России на период до 2030 г. — Энергетик, 2008, №5.

    2. ГОСТ 20911—89. Техническая диагностика. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1989.

    3. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

    4. ГОСТ 15467—79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1979.

    5. РД 34.45—51.300—97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. — М., 1997.

    6. Надежность и эффективность в технике: Справочник в 10 т. — М.: Машиностроение, 1987.

    7. Афанасьев О.В., Голик Е.С., Первухин Д.А. Теория и практика моделирования сложных систем. — СПб: Сев-Зап.ГЗТУ, 2005.

    8. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы, Примеры. — М.: Физматлит, 2005.

    9. Меламедов И.М. Физические основы надежности. — Л.:Энергия, 1970.

    10. Четвергов В.А., Овчаренко СМ. Физические основы надежности. - Омск: ОГУПС, 2002.

    11. Глушенко П.В. Техническая диагностика. — Вузовская книга, 2004.

    12. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1984.

    13. Орлов А.И. Прикладная статистика. — М.: Экзамен,2006.

    14. Ситников В.Ф., Скопинцев В.А. Вероятностно-статистический подход к оценке ресурсов электросетевого оборудования в процессе эксплуатации. - Электричество, 2007, № 11.

    15. Попов Г.В., Ватлецов А.В., Аль-Хамри С.С. Экспертная поддержка при диагностике состояния силовых трансформаторов. — Электротехника, 2003, № 8.

     
     
    Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
    Источник:  ©  Вдовико В.П. Методология системы диагностики электрооборудования высокого напряжения. Электричество, №  2,  2010.– С.14-20.
    Материал размещен на www.transform.ru: 15.03.2010 г.
     

     

    Перейти в форум для обсуждения

      ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


    Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????