Аннотация. Предложена методика автоматизированного мониторинга технического состояния силовых трансформаторов, а также разработано устройство управления их эксплуатацией.

Ключевые слова: силовой трансформатор, методика, мониторинг, управление эксплуатацией.

Несмотря на разработку и внедрение энергоэффективного, энергосберегающего электрооборудования, в электроэнергетической системе РФ эксплуатируются и еще долгое время будут эксплуатироваться сотни и сотни тыс. единиц силовых распределительных трансформаторов с «обычными» параметрами. А основной задачей эксплуатации любого оборудования является обеспечение максимального безаварийного срока службы, который должен быть равен установленному стандартом (для силовых распределительных трансформаторов — 30 лет по ГОСТ Р 52719—2007).

На сегодняшний день не существует прикладной теории эксплуатации сложных технических систем, которая позволила бы сформировать для каждого типа технических систем оптимальный план эксплуатации. Наиболее распространенной сегодня является система эксплуатации с плановыми техническими обслуживаниями (регламентными работами) и планово-предупредительными ремонтами, с обязательной поставкой не только ЗИП, но и разного объема обменных фондов наиболее ответственных узлов сложного оборудования. Однако наиболее оптимальной, в т. ч. и для силовых трансформаторов, с экономической точки зрения является система эксплуатации с обслуживанием по текущему техническому состоянию («О развитии системы нормативно- технической документации для оценки технического состояния силовых трансформаторов» Львов М.Ю., канд. техн. наук, ОАО «Холдинг МРСК»).

Основной сложностью в практической реализации такой системы эксплуатации применительно к силовым распределительным трансформатором является необходимость разработки системы автоматизированного мониторинга технического состояния с учетом реальных условий эксплуатации.

В настоящем материале впервые представляется разработанный математический аппарат, методика и алгоритм автоматизированного мониторинга технического состояния распределительных трансформаторов I-III габарита.

Разработана математическая модель выработки технического ресурса силового трансформатора, учитывающая воздействие основных эксплуатационных факторов (теплового, механического и электрического) и текущие условия эксплуатации (температура окружающей среды), данная математическая модель представляет собой функцию зависимости фактического выработанного ресурса от величины потребляемого тока, температуры окружающей среды, величины напряжения первичной обмотки трансформатора, а также объема наработки.

Математическая модель обладает следующими особенностями:

- позволяет определить выработанный технический ресурс силового трансформатора с учетом воздействия теплового, механического и электрического факторов, то есть определить техническое состояние трансформатора на любом этапе эксплуатации;

- позволяет учитывать переходные тепловые процессы, имеющие место при колебаниях нагрузки и аварийных ситуациях;

- учитывает изменение температуры окружающей среды на каждом интервале наработки;

- учитывает влияние на ресурс силового трансформатора отклонений интенсивности и условий эксплуатации от номинальных;

- учитывает свойства электроизоляционных материалов и их стойкость к воздействиям эксплуатационных факторов;

- учитывает особенности конструкции и взаимного расположения обмоток;

- позволяет учитывать тип и особенности системы охлаждения трансформатора;

- позволяет определить выработанный технический ресурс на любом этапе эксплуатации по изменению токопотребления.

Основным элементом силовых трансформаторов, наиболее подверженным развитию старения и фактически определяющим его ресурс, является бумажная изоляция обмоток. Это подтверждается анализом неисправностей силовых трансформаторов, на основе которого был сделан вывод, что основной причиной выработки ресурса силовых трансформаторов является старение изоляционных конструкций. Износ изоляции трансформаторов происходит значительно интенсивнее, чем износ его токоведущих частей. Очевидным является тот факт, что изоляция трансформатора достигнет своего предельного состояния быстрее, чем его обмотка, сердечник и другие части. Поэтому без преувеличения можно сказать, что изоляция трансформатора определяет срок его службы. Поэтому при разработке математической модели оценки технического состояния силовых трансформаторов с учетом интенсивности эксплуатации в качестве технического ресурса трансформатора был выбран технический ресурс его изоляционных конструкций, а в качестве основных факторов, воздействующих на изоляцию в ходе эксплуатации, — тепловой, электрический, механический факторы.

Для учета влияния указанных факторов в единой математической модели использован принцип суперпозиции. Суть принципа заключается в следующем: пусть на трансформатор действует N эксплуатационных факторов. Причем считается, что действие каждого из этих факторов условно не зависит от других. Тогда для определения фактического выработанного ресурса с учетом воздействия N эксплуатационных факторов можно воспользоваться выражением:

(1)

где: j=1…N - количество эксплуатационных факторов, оказывающих воздействие на выработку ресурса трансформатора;

R_j- фактический выработанный ресурс трансформатора при воздействии на него единственного эксплуатационного фактора.

Важно отметить, что при фиксированных значениях эксплуатационных факторов (потребляемый ток и напряжение первичной обмотки, температура окружающей среды) на интервале наработки r (I = сопst, U_BN = сопst, ﯠ_ос = сопst) модели могут рассматриваться как линейные функции:

R=f(r)=rY (2)

где: величина — объем наработки, зависит от эксплуатационных факторов I, U_NB_,ﯠ_ос;

Y — коэффициент, учитывающий интенсивность и текущие условия эксплуатации и зависящий от эксплуатационных факторов I, U_NB_,ﯠ_ос.

Выражение (1) справедливо для условно независимых друг от друга эксплуатационных факторов. Согласно принципу детерминизма неприемлемо однозначно утверждать, что один эксплуатационный фактор не зависит от другого. Поэтому следует в качестве используемых эксплуатационных факторов выбирать те, для которых изменение одного приводит к незначительному изменению другого, которое, в свою очередь, оказывает незначительное влияние на изменение фактического сработанного ресурса. Такие факторы условно можно считать независимыми. При этом степень незначительности влияния, учитываемых факторов определяется в зависимости от требуемой точности и достоверности расчета фактического выработанного ресурса.

Факторы, воздействующие на изоляцию трансформатора, можно считать условно независимыми, поскольку температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора (тепловой фактор), механическое напряжение в изоляции а (механический фактор) и напряженность электрического поля Е (электрический фактор, определяемый величиной U_NB ) мало зависят друг от друга.

Относительные значения выработанного ресурса при воздействии каждого фактора в отдельности в «свернутом» виде определяются по формулам:

(3)

(4)

(5)

где: R_т^* — относительное значение фактического выработанного ресурса в результате воздействия теплового фактора;

R_м^*— относительное значение фактического выработанного ресурса в результате воздействия механического фактора;

R_Э^*— относительное значение фактического выработанного ресурса в результате воздействия электрического фактора.

(В формулах (3) — (5) индекс «ном» обозначает номинальные значения параметров; индекс «ннт» относится к температуре наиболее нагретой точки; параметры т, В — постоянные величины для данного класса изоляции; γ — постоянная, отражающая влияние структуры материала изоляции на распределение напряжений; R_р — универсальная газовая постоянная; Lп — обозначение натурального логарифма.)

Используя (1) и переходя к абсолютным величинам, получаем:

(6)

Выражение (6) позволяет определить фактический выработанный ресурс силового трансформатора с учетом воздействия основных эксплуатационных факторов (теплового, механического, электрического) за наработку в объеме нормативного ресурса R₀. При этом величины ﯠННТ,σ, U_B_Н, входящие в (6), могут быть определены как параметры, характеризующие интенсивность эксплуатации и текущие условия эксплуатации.

Если в ходе эксплуатации в объеме некоторой наработки значения параметров, характеризующих интенсивность и условия эксплуатации ﯠННТ, σ, U_B_Н, изменялись, тогда фактический выработанный ресурс R в объеме данной наработки может быть определен по выражению:

(7)

где: i=1... п — количество интервалов наработки, на которых температура наиболее нагретой точки, механическое напряжение, напряженность электрического поля (фактор, зависящий от напряжения U_B_Н) принимают значения ﯠННТ_i, σ_i, U_B_Н_i соответственно (интервал, где ﯠННТ_i=сопst, σ_i=сопst, U_B_Н_i=сопst)

При этом важно отметить, что поскольку ﯠННТ = f (I, ﯠ_ос), , σ_i = f(I) , U_B_Н_i=сопst, то количество интервалов наработки будет определяться преимущественно изменением токопотребления.

Подставив в (7) зависимость температуры наиболее нагретой точки от величины потребляемого тока, а также зависимость напряжения сжатия от осевых усилий от при К3, можно получить формулу, позволяющую рассчитать технический ресурс, вырабатываемый силовым трансформатором в процессе эксплуатации при воздействии основных эксплуатационных факторов.

(Ввиду громоздкости, данная формула не приводится.)

Методика автоматизированного мониторинга технического состояния силовых трансформаторов с учетом интенсивности эксплуатации состоит из следующих основных этапов:

1. Подготовка исходных данных, формирование базы данных для заполнения программы автоматизированного мониторинга технического состояния, тестовый запуск программы и ее корректировка.

2. Мониторинг технического состояния силового трансформатора с оценкой расхода ресурса в соответствии с разработанной математической моделью ресурса R=f (r, I, U_B_Н_,ﯠ_ос).

В ходе выполнения второго пункта методики расчет ресурса с учетом интенсивности эксплуатации осуществляется с помощью разработанных технических устройств согласно описанной выше математической модели.

3. Определение эксплуатационной надежности согласно математической модели.

4. Сравнение полученных результатов со значениями минимально допустимого уровня надежности.

5. Сравнение полученных результатов со значениями минимально допустимого уровня надежности.

6. Принятие решения на проведение регламентных работ и подготовка выездного расчета.

7. Проведение мероприятий в объеме соответствующего вида регламентных работ.

8. Корректировка программы автоматизированного мониторинга с учетом полученных эмпирических данных.

9. документирование и протоколирование результатов мониторинга.

10. Приведение в исходное состояние.

Структурно-формализованная схема методики автоматизированного мониторинга технического состояния силовых трансформаторов с учетом интенсивности эксплуатации.

Для реализации методики автоматизированного мониторинга технического состояния силовых трансформаторов с учетом интенсивности эксплуатации было разработано специальное устройство управления эксплуатацией силовых трансформаторов.

В рамках данного материала не представляется возможным привести все многочисленные полученные результаты. Авторы лишь изложили математическую и методологическую канву, а также общие принципы работы системы автоматического мониторинга силовых распределительных трансформаторов.

Безусловно, широкое внедрение таких систем обеспечит существенный экономический эффект в масштабах электроэнергетической системы страны.