НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В КОНТРОЛЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

Туркин Д.Г.¹, Волокитин Е.И.², Левченко Р.А.³, Шевель В.В.⁴

¹Доцент; ²Студент; ³Студент; ⁴Студент, Дальневосточный Федеральный Университет

Исследование выполнено при поддержке ДВФУ, проект № 14-08-2/3-20

НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В КОНТРОЛЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Аннотация

В статье обсуждаются новые тенденции в контроле технического состояния электроэнергетического оборудовании на основе анализа содержания  докладов на сессии СИГРЭ, посвященных вопросам диагностики и оценки состояния трансформаторов. Делаются выводы о наиболее перспективных тенденциях в разработке эффективных методов анализа технического состояния трансформаторов.

Ключевые слова: электроэнергетика, трансформаторы, диагностика.

Turkin D.G.¹, Volokitin E.I.², Levchenko R.A.³, Shevel V.V.⁴

¹Assosiate professor,’²Student; ³Student; ⁴Student, Far Eastern Federal University

NEW TRENDS IN ELECTRIC POWER EQUIPMENT TECHNICAL CONDITION MONITORING

Abstract

The article considers new trends in the monitoring of power equipment condition, contains information from the main reports, devoted to the diagnosis and assessment of transformers, discussed on the CIGRE Session. Finally it has conclusions about the most perspective trends in the development of the most effective transformers condition analysis methods.

Keywords: electric power industry, transformers, diagnostics.

В настоящее время совершенствованию эксплуатационного контроля и диагностики состояния силовых трансформаторов 110-750 кВ в энергосистемах России и стран СНГ уделяется большое внимание. Одной из наиболее крупных организаций, занимающихся вопросами данной тематики, является СИГРЭ. СИГРЭ (английское название International Councilon Large Electric System) создан в 1921 году во Франции как международная неправительственная и некоммерческая организация в области электроэнергетики. Деятельность СИГРЭ (Conseil International des Grands Reseaux Electriques – CIGRE) оказывает серьезное влияние на стратегическое видение развития энергосистемы, необходимое для выбора энергетической политики.

За истекший период эта организация сумела объединить учёных и специалистов энергетиков всего мира, причем решения, принимаемые на сессиях СИГРЭ, ложатся в основу формирования векторов научно-технического развития, определяют ключевые направления в области интеграционных процессов. Тематика работы шестнадцати постоянно действующих исследовательских комитетов охватывает весь спектр проблем функционирования и развития энергосистем. Исследовательский комитет А2 «Трансформаторы» изучает весь комплекс вопросов, связанных с проектированием и производством силовых трансформаторов и реакторов, обеспечением их эксплуатационной надежности. На 44-ой сессии СИГРЭ в качестве приоритетных были признаны следующие темы [1]:

1. Развитие средств и методов диагностики для оценки состояния трансформаторов, находящихся в эксплуатации;
2. Интеллектуальные системы мониторинга;
3. Оптимальная эксплуатация с учётом информации о динамических режимах работы и перегрузках.

Вышеперечисленные тематики предусматривают активную работу рабочей группы WG A2-49 исследовательского комитета А2. Эта группа с рабочим названием “Condition assessment of power transformers” (оценка состояния силовых трансформаторов) задачами своей деятельности считает:

• подготовку обзора существующих документов, связанных с тестированием и диагностикой силовых трансформаторов;
• определение набора параметров, необходимых и достаточных для полной оценки состояния трансформатора;
• определение весовых коэффициентов для каждого из параметров при оценке состояния трансформатора по индексу неисправности с использованием детерминистических и вероятностных методов;

В российских энергетических компаниях используются сотни различных систем мониторинга. Этой теме был посвящен доклад А2-102, представленной совместно ФСК ЕЭС, ФГУП ВЭИ, АСУ ВЭИ, в котором приведен анализ восьмилетнего опыта развития и применения средств и методов диагностики и мониторинга трансформаторного оборудования. В докладе отмечены основные проблемы, с которыми сталкиваются пользователи систем мониторинга. К ним относятся [1]:

• интеллектуальные системы мониторинга, алгоритмы, доступ к новым данным;
• оптимальная эксплуатация с учётом информации о динамических режимах работы и перегрузках, данных, получаемых от систем мониторинга;
• применение трансформаторов с учётом новых технологий, воздействие гармоник.

Решение этих проблем специалисты связывают с разработкой и внедрением систем on-line мониторинга, предусматривающие использование последних достижений в развитии информационно-измерительных систем, создании новых материалов и датчиков.

Одним из основных параметров, позволяющим давать оценку состояния трансформатора, а также формировать прогноз на вероятность отказа является хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ). Методы интерпретации результатов ХАРГ трансформаторного масла были оформлены как методики МЭК 599 в 1978 году. Рабочая группа СИГРЭ (РГ 15.01) после проверки действующих в мировой практике методик констатировала, что они существенно отличаются от рекомендаций МЭК 1978 года. Более того, различные методы интерпретации ХАРГ и критерии оценки состояния трансформаторов приводят к разным выводам.

Перед РГ 15.01 была поставлена задача найти оптимальную методику и дать материал для переработки рекомендаций МЭК на основании практического опыта энергетиков.

В публикации отмечается, что наиболее распространёнными методами интерпретации результатов ХАРГ масла являются методики Дорненбурга, CEGB (отношения по Роджерсу), Шлизингера, Дюваля, МЭК 599, IEEE.

Появление и быстрое развитие дефекта во вводах трансформатора обычно сопровождается повышением концентраций различных газов, растворенных в масле. Увеличение содержания горючих газов (особенно ацетилена) практически всегда указывает на развитие дефектов, связанных с частичными разрядами, нагревом, появлением дуговых процессов при локальных замыканиях.

В рекомендациях МЭК употребляются термины «типичная концентрация», соответствующий нормальной концентрации газов, и «граничная концентрация».

В таблице 1 приведены пределы разброса типичных концентраций ( отн. ед.), определённых по базам данных 13 электрических сетей различных стран [2].

 

Таблица 1 – Пределы разброса типичных концентраций газов

Газы	Без РПН	С РПН
(водород)	60-150	75-150
	40-110	35-130
(ацетилен)	3-50	80-270
	60-280	110-250
(этан)	50-90	50-70
(угарный газ)	540-900	400-850
(углекислый газ)	5100-13000	5300-12000

 

Для конкретной энергокомпании рекомендуется определять типичные концентрации по базе данных для трансформаторов, эксплуатирующихся в данной энергосистеме. Граничные концентрации газов получены на основании практического опыта обследований отечественных трансформаторов. Их величины примерно соответствуют нижним пределам величин, приведённых в примере МЭК 60599. Эти данные различны для классов напряжения 110-500 кВ и 750 кВ. Граничная скорость нарастания концентрации газов – 10%.

Превышение концентрации газов требует повторного контроля, определения характера дефекта, а в дальнейшем – учащения отбора проб. Если к тому же превышена скорость нарастания газов – трансформатор отключается.

В России при проведении регламентных испытаний руководствуются следующими документами:

– 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

– Методические указания по диагностике состояния изоляции высоковольтных вводов 110-750 кВ. АО «Мосилолятор», М., 1994

– РД 34.46.302-89. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов по результатам хроматографического анализа газов, растворённых в масле силовых трансформаторов: /ВНИИЭ/. – М.: СПО Союзтехэнерго, 1989

Согласно данным РД 34.45-51.300-97 граничные концентрации газов имеют следующие значения [2] (таб. 2).

 

Таблица 2 – Граничные концентрации газов

Газ	Граничные концентрации, % об
(водород)	0,01
(угарный газ)	0,05
(метан)	0,01
(углекислый газ)	0,4
(этилен)	0,01
(этан)	0,005
(ацетилен)	0,01
Всего содержание	10/20(25) г/т
Общее газосодержание	1,0/2,0/4,0

 

В настоящее время задачу диагностирования маслонаполненного оборудования на основе ХАРГ решают так называемые диагностические комплексы. Эти системы играют роль индикаторов, оперативно предупреждая о появлении нежелательных процессов в оборудовании. В диагностическом комплексе модуль первичных преобразователей должен состоять из семи датчиков, каждый из которых настроен на определённый газ.

 

Таблица 3 – Пределы измеряемой концентрации различных газов

Наименование датчика	Обозначение газа	Граничная концентрация, % об.
Датчик водорода		0,001
Датчик метана		0,001
Датчик ацетилена		0,0001
Датчик этилена		0,001
Датчик этана		0,0001
Датчик оксида углерода		0,0001
Датчик диоксида углерода		0,001

 

В докладе А2-111 на 44-ой сессии СИГРЭ показано, что прогноз вероятности отказа оборудования целесообразно проводить по величине коэффициента старения. Индикаторами, наиболее чувствительными к старению являются суммарная концентрация растворенных в масле горючих газов (ацетилена, этилена метана), концентрации всех углеводородов, двуокиси углерода, влагосодержание, тангенс дельта. В докладе также отмечается, что при вычислении степени надёжности (то есть количества отказов в день) в качестве индикаторов используются результаты ХАРГ.

Новые возможности открываются при регистрации предельно малых концентраций газов. Дело в том, что газообразование в изоляционных жидкостях и в комбинированной маслопропитанной изоляции при различных видах энергетического воздействия имеют некоторые особенности: удельное газообразование в трансформаторном масле при начальных частичных разрядах почти на порядок превышает удельное газообразование при частичных разрядах, развивающихся в газовых пузырьках для одного и того же типа трансформаторного масла.  Кроме того, газообразование возможно в результате химического взаимодействия материалов, например, компонентов кварцевого песка или «сопутствующих» материалов, которые могут попасть в высоковольтное оборудование вследствие особенностей технологического процесса их изготовления. Установлено [3], например, что при приемо-сдаточных испытаниях решающим признаком необратимого разрушения изоляции конденсаторов является образование  а в эксплуатации –  

Экспериментальные исследования [4] подтверждают существование зародышей микропузырьков микронных и субмикронных размеров в трансформаторном масле. Количество микропузырьков в трансформаторном масле в значительной степени зависит от наличия механических загрязнений.

Комплексный анализ процессов установления газового равновесия в высоковольтном маслонаполненном оборудовании позволяет сделать вывод о возможности создания методики оценки технического состояния и составления прогноза о работоспособности оборудования по значениям малых и предельно малых концентраций растворенных газов [5].

В настоящее время ведущим методом определения малых и предельно малых концентраций газов является метод CRDS (Cavity Ring Down Laser Spectroscopy). Лазерные спектрометры, основанные на принципе CRDS (затухающего импульса лазерного излучения в резонаторе) обеспечивают измерение разнообразных газов, в том числе в труднодоступных местах и в экстремальных условиях.

В России разработаны и изготавливаются CRDS – спектрометры, обеспечивающие измерение малых и предельно малых концентраций газов- от 0,5 до 1000 (ppm). Эти приборы предполагают использование наноградиентных тонкопленочных оптоэлектронных резонаторных систем на основе метаматериалов. За рубежом наиболее современными разработками контроля по значениям предельно малых концентраций газов являются техномаркеры компании General Electric, такие как TRANSFIX, MULTITRANS, MINITRANS, TAPTRANS, работающие на основе фотоакустической стереоскопии [6]. Приборами на основе данного эффекта достигаются измерения концентраций газов в следующих диапазонах (таб. 4).

 

Таблица 4 – Пределы измерений концентрации газов на основе метода фотоакустической стереоскопии

Газ	Наименьший предел измерений, ppm
(угарный газ)	<1
(метан)	<1
(углекислый газ)	<1
(этилен)	<1
(этан)	<1
(ацетилен)	<0,2

 

На основе изложенных данных можно прийти к заключению, что проблема анализа состояния трансформаторов путём анализа концентрации газов в масле является актуальной темой для исследования на сегодняшний день. Приоритетным направлением в нём может стать использование наноградиентных тонкопленочных оптоэлектронных резонаторных систем на основе метаматериалов для регистрации изменения концентрации малых и предельно малых концентраций газов.