Embed Size (px)
Citation preview
1
Т Е Х Н И Ч Е С К И У Н И В Е Р С И Т Е Т – С О Ф И Я
Ф А К У Л Т Е Т А В Т О М А Т И К А
Професионално направление:
5.2. “Електротехника, електроника и автоматика”
Научна специалност:
“Теоретична електротехника”
маг. инж. Николина Стефанова Петкова
Моделиране, изследване и анализ на частични
разряди в силови трансформатори
АВТОРЕФЕРАТ
на дисертационен труд
за придобиване на
образователна и научна степен “ДОКТОР”
Научни ръководители:
Проф. д-р инж. Валери Марков Младенов, ТУ – София
Доц. д-р инж. Петър Митрофанов Наков, ТУ – София
Научно жури:
1. Проф. д-р инж. Валери Марков Младенов, ТУ – София
2. Проф. д-р Цанчо Борисов Цанев, външен за ТУ-София
3. Доц. д.т.н.Станимир Трифонов Вичев, външен за ТУ-София
4. Доц. д-р Антоанета Константинова Тодорова, външен за ТУ-София
5. Доц. д-р Валентин Генов Колев, ТУ-София
Резерви: Доц. д-р. Георги Александров Тошев, външен за ТУ-София
Доц. д-р Симона Кирилова Петракиева, ТУ-София
София, 2012 г.
К А Т Е Д Р А Т Е О Р Е Т И Ч Н А Е Л Е К Т Р О Т Е Х Н И К А
2
Дисертационният труд е обсъден и насрочен за защита от разширен катедрен съвет
на катедра „Теоретична електротехника‖ на факултет Автоматика към Технически
университет – София на 19.06.2012 г.
Докторанта е главен асистент в катедра „Теоретична електротехника‖, факултет
Автоматика при Технически университет – София. Започва работа като асистент през
2004 г. Същият е зачислен в задочна докторантура към катедра „Теоретична
електротехника‖ на 01.03.2006 г. и е отчислен с право на защита през 2010 г.
Изследванията по дисертационния труд са свързани с дългогодишното
сътрудничество между катедра „Теоретична електротехника‖ и катедра
„Електроенергетика‖ при ТУ – София.
Дисертационният труд съдържа 152 страници със 117 фигури, 4 осцилограми и 7
таблици. Състои се от увод, три глави, заключение, списък на публикациите по труда,
библиография и 11 стр. приложения. Цитирани са 95 литературни източника, от които 47
на кирилица и 48 на латиница. По труда са направени 6 публикации - 4 на конференции с
международно участие в България и чужбина (Stará Lesná, Slovak Republic – 2007,
Созопол – 2007, София – 2010 и Созопол – 2010); 1 в списание „Енергетика‖ – 2007 и 1 в
Енергиен форум – 2006 г.
Защитата на дисертационния труд ще се състои на 02.10.2012 г. от 16 ч. в зала
12126 „Проф. Димитър Димитров‖ на Електротехнически факултет на заседание на
научно жури, назначено със заповед на Ректора на Технически университет-София.
Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в канцеларията на
факултет Автоматика.
Автор: Николина Стефанова Петкова
Заглавие: Моделиране, изследване и анализ на частични разряди в силови
трансформатори
Тираж: 50бр.
Печатна база при ТУ - София
3
Обща характеристика на дисертационния труд
В настоящия дисертационен труд е разработена методология за определяне на
мястото и вида на частични разряди в обема на силови трансформатори като се прилага
нов метод за локализирането им и въз основа на това се изготвя оценка за състоянието му.
Направена е класификация на видовете силови трансформатори и видовете
изпитвания, които се използват за изготвяне на оценка за състоянието им. Описани са
методите за откриване на частични разряди. Изброени са основните параметри на
частичните разряди и различното им въздействие и развитие във видовете диелектрици.
Дефинирани са целта и задачите на дисертационния труд.
Разгледани са принципите на диагностиката и прилагането им при силовите
трансформатори. Разработен е нов програмен продукт за откриване на вида и мястото на
частичния разряд в обема на силов трансформатор и графичното му изобразяване. Описан
е метод за техническа оценка на съоръжението, базирано на вида на частичния разряд и
мястото му на поява. Въз основа на направеното изследване се изготвя заключение от
програмния продукт за реалното състояние на изследвания силов трансформатор и за
надеждността на бъдещата му работа.
Описано е измерване на характеристиките на частични разряди от физически модел
в лабораторни условия. Направена е симулация на лабораторните опити с програмния
продукт Quick Field 5.6. и резултатите са анализирани чрез метода с крайните елементи
(МКЕ). Изследвани са два силови трансформатора от експлоатацията, на които е
направена оценка на състоянието. След прилагане на описания в дисертацията софтуерен
продукт са изготвени заключения и препоръки към експлоатацията. При направените
ремонти на трансформаторите се констатира, че видът и място на повредите съвпадат с
тези от направената диагностика.
Глава първа – Преглед на проблемите по определяне на частични разряди в силови
трансформатори. Цел и задачи на дисертацията
Силовите трансформатори са основно съоръжение в преноса и разпределението на
електрическата енергия. Постигането на безаварийна работа на силовите трансформатори
е възможно при прилагането на оптимална програма за профилактика и ремонт. Силовите
трансформатори са скъпи устройства, но предимствата им са неоспорими, а именно
високият коефициент на полезно действие, отсъствието на подвижни части и простата им
конструкция. Неразделна част от диагностиката им е определяне наличието на дефекти
или нарушаването на нормалната работа на съоръжението. Развитието на дефектите, най-
често е свързано с генерирането на частични разряди.
1.1. Видове трансформатори, които се използват в електроенергийната
система
Електрическите трансформатори и автотрансформатори са стационарни
електрически машини, които на принципа на електромагнитната индукция преобразуват
променливото напрежение и ток обикновено в друго напрежение и ток със същата
честота.
Едновременно с трансформиране на напрежението, трансформаторите които се
намират в подстанциите, свързват взаимно отделените звена на системата, като създават
възможности за обмен на енергия между тях. Използват се и за регулиране на
напрежението в определени граници.
Според вида на връзката между отделните намотки се различават трансформатори
които имат само с електромагнитна връзка между намотките и автотрансформатори,
имащи и непосредствена електрическа (галванична) връзка.
4
По броя на фазите трансформаторите се делят на еднофазни и трифазни.
Последните се предпочитат, тъй като в сравнение с трифазна група от три еднофазни
трансформатора са по-евтини, по-леки са имат до по-малки загуби. Еднофазни
трансформатори се прилагат предимно там, където по технически причини не могат да
се използват трифазни — големи мощности, високи и свръхвисоки напрежения, от
транспортни съображения и др.
Според броя и вида на намотките трансформаторите се разделят на
двунамотъчни, тринамотъчни и с разчленени намотки. Най-голямо приложение имат
трифазните двунамотъчни трансформатори.
По направление на предаваната енергия трансформаторите се делят на
повишаващи (главно в електрическите централи) и понижаващи (предимно в
подстанциите).
Според начина на регулиране на напрежението трансформаторите се
подразделят на такива с превключване без товар и с превключване под товар.
Силовите трансформатори могат да се класифицират и по други показатели:
начин на охлаждане, вид на основната и топло пренасяща среда (сухи и маслени).
За всяка намотка токът се определя по нейната номинална мощност и
номиналното й напрежение, като се отчита фазовия множител.
Охлаждането на трансформаторите се означава с четири букви. Първата
показва вида на охлаждащото средство, намиращо се в непосредствена близост с
намотките, магнитопровода и изводите на трансформатора; втората - начина на
неговата циркулация; третата - вида на охлаждащото средство, намиращо се в
непосредствена близост с външната охлаждаща система на трансформатора;
четвъртата - начина, по който циркулира.
ONAN – естествено маслено охлаждане;
ONAF – маслено охлаждане с естествена циркулация на маслото
и принудително обдухване с въздух;
OFAF – маслено охлаждане с принудителна циркулация на
маслото и принудително обдухване с въздух;
OFWF – маслено охлаждане с принудителна циркулация на
маслото и принудително охлаждане с вода.
Основни параметри на трансформаторите са: мощност, напрежение, ток, честота,
напрежение на късо съединение, ток на празен ход, загуби на празен ход и други.
1.2. Изпитвания на трансформатори
1.2.1. Общи изисквания за контролни, типови и специални изпитвания
Изпитванията трябва да бъдат провеждани при каквато и да е температура между
100С и 40
0С и охлаждаща среда (ако се изисква) с температура непревишаваща 25
0С.
Изпитванията трябва да бъдат проведени в завода производител, ако не е уточнено друго
между производителя и купувача. Всички измерителни системи, използвани за
изпитванията, трябва да имат удостоверена и проследима точност и да бъдат подложени
на периодично калиброване съгласно изискванията на прилаганите стандарти.
За измерените параметри, зависещи от температурата се изисква изпитвателните
резултати да бъдат приведени към базова температура.
1.2.1.1. Контролни изпитвания
– измерване на съпротивлението на намотката с постоянен ток
– измерване на коефициента на трансформация и проверка на фазовото
изместване
– измерване импеданса на късо съединение и загуби на късо съединение
– измерване на загуби на празен ход и ток на празен ход
5
– контролни диелектрични изпитвания
– изпитвания на стъпалния регулатор на напрежението под товар, където е
подходящо.
1.2.1.2. Типови изпитвания
– изпитвания на загряване
– диелектрични типови изпитвания.
1.2.1.3. Специални изпитвания
– диелектрични специални изпитвания
– определяне на капацитетите – намотки към земя и между намотките
– определяне на характеристики на преходното напрежение
– измерване на импедансите с нулева последователност на трифазните
трансформатори
– измерване на устойчивост на късо съединение
– определяне на нивата на звука
– измерване на хармониците на тока при празен ход
– измерване на мощността, необходима за вентилаторите и помпите
– измерване на изолационното съпротивление на намотките към земя и
измерване на тангенса от ъгъла на диелектричните загуби (tg δ).
Много често по време на тези изпитвания – контролни, типови или специални и
свързаните с тях анализи на трансформаторното масло се открива наличие на частични
разряди.
1.3. Основни понятия, схеми и методи за измерване на частични разряди
Частичният разряд (ЧР) е електрически разряд, който се развива в част от
изолацията между електроди, намиращи се под различен потенциал. Наличието на
частичен разряд ускорява стареенето на електрическите изолационни системи. Оценката
на скоростта на развитие на дефекта зависи от амплитудата, скоростта на изменение и
мястото, където възникват частичните разряди в обема на силовия трансформатор.
Терминът ―Частичен разряд‖ включва голяма група разрядни явления като:
- вътрешни разряди - те се появяват в празни пространства в твърдите и течните
диелектрици;
- разряди по изолационна повърхност - те се развиват на границата между различни
изолационни материали;
- явление “корона” - то е свързано с разряди в газови диелектрици при силно
неравномерно поле.
При продължителното действие на разрядите в твърд диелектрик се образуват
разрядни канали (електрически дендрити), а при разряди по повърхността се образува
―трек‖.
В някои литературни източници частичните разряди се наричат йонизационни
процеси, в други вътрешно корониране. Наименованието „частичен разряд‖ най-добре
отговаря на използваната в IEC 60270 терминология ―Partial discharge‖ – на английски,
„Teilentladung‖ – на немски, „Discharge partielle‖ – на френски, ―Частный разряд‖ – на
руски език.
Всяко разрядно явление влошава качествата на изолационния материал. Степента
на разрушаване, причинена от частични разряди, зависи от вида на материала. Например,
ефектът корона не влияе върху продължителността на работа на въздушните
електропроводни линии, докато частичните разряди в термопластичен диелектрик,
например полиетилен, може да предизвикат пробив за няколко дни. Обект на много
изследвания е да се установи каква е връзката между частичните разряди и
продължителността на работа за определен материал.
6
Техниките за откриване и измерване на разрядите се базират на енергийния обмен,
който се получава по време на разряда. Този обмен може да бъде: импулсен ток;
диелектрични загуби; електромагнитни вълни; звук; повишено налягане на газ; химически
реакции.
Методите за диагностика на частичните разряди се основават и показват
различията между действително опасни проблеми (разрушителен частичен разряд) и
проблеми, които засягат функционалното предназначение на трансформатора и
съоръженията, свързани към него. Големи компании като АВВ, OMICRON, AREVA и
други са разработили системи за мониторинг на силови трансформатори базирани на
различни методи за диагностика.
Най-старият и достъпен метод се основава на измерване на звука от разрядите.
Чувствителността му е малка и съществуват трудности при отделянето на звука от
разрядите от странични шумове, особено когато измерванията се правят в
експлоатационни условия. Разработени са модерни акустични методи, базирани на
ултразвукови приемници, които могат да бъдат използвани за локализиране на разрядите.
Съвременните технологии позволяват ефективно отстраняване на външните смущения.
Акустичният метод е добре известен и използван за откриване наличието и
местоположението на дефекти в изолацията на силовите трансформатори. Предимствата
на този метод, показани в са: методът е приложим по време на работа на трансформатора;
безопасен е, открива източника на дефекти в тримерното пространство; може да бъде
използван при заводски изпитвания.
Известно е, че топлинната енергия, освободена от частичните разряди, е
равностойна на увеличение на поляризационните загуби. Наблюдава се слабо увеличаване
на тангенса от ъгъла на диелектричните загуби (tgδ) при увеличаване на приложеното
напрежение дори при интензивни частични разряди, поради наличието на допълнителни
загуби, които могат да бъдат ограничени в много малки пространства.
Използването на оптична техника се ограничава до изследване на разряди по
открити повърхности и затова е неприложима в повечето случаи на изследване на
електрическата изолация на електротехническите съоръжения.
Най-често използваните и успешни методи за откриване на частични разряди са
електрическите. Тези методи целят отделянето на импулсния ток, свързан с частичните
разряди, от останалите явления. При развитие на частичен разряд в газово включване,
зарядите натрупани на срещуположните повърхнини се неутрализират, което в
заместващата схема може да се представи като свързване накъсо в част от капацитета на
изолацията. Поради голямата скорост на неутрализация на зарядите, за няколко
наносекунди настъпва вълново преразпределение на разрядите в обема на изолацията.
Като последица от това преразпределение се явява краткотрайно колебание на
напрежението на изводите на изолацията, съпроводено с протичане на токови импулси
през нея. Регистрирането на токовите импулси на изводите на изолацията е най-удобният
начин за измерване на частичните разряди и е в основата на всички разработени схеми и
уреди, препоръчани от общите и отрасловите стандарти. Основно предимство на
електрическите методи е възможността да се измерват всички характеристики на
частичните разряди – привидна амплитуда, привиден заряд, брой на импулсите,
разположение на импулсите по фаза на захранващото напрежение и др.
При електромагнитния метод приемникът е антена. Предимствата на метода са:
лесен за използване в експлоатационни условия; възможност за откриване на частични
разряди във въводите на силовия трансформатор; идентифицира наличието на ефекта
''корона''. Недостатъците на метода са, че открива частични разряди само с голяма
интензивност и че приема и паразитните външни влияния.
Съществува още един метод за откриване на частични разряди, в основата на който
е използването на оптично акустични сензори. Датчиците са с малки размери и са химико
и електрoинертни. За да се отчете наличие на частичен разряд, системата от сензори се
7
поставя в обема на изследвания обект, като не се променя функционалното му
предназначение и е в постоянна готовност за откриване на дефект. Обикновено се
използват четири оптично акустични сензора, работещи в диапазона 100÷300 кHz, при
която се получава разряда. Този метод регистрира частични разряди в тримерното
пространство с ±5см толеранс по всяка от осите (x, y и z).
1.3.1. Електрическа заместваща схема на частичен разряд
Появата на частични разряди във вътрешността на затворен апарат може да се
измери само на неговите изводи. На фиг.1(а) е показана капацитивна верига, състояща се
от твърд или течен диелектрик между два електрода 1 и 2, и пълна с газ кухина. Това
празно пространство се превръща в източник на частични разряди при увеличаване на
напрежението между двата електрода. Силовите линии на полето в газовото включване са
силно изкривени поради разликата в диелектричната проницаемост, а също и поради
формата на включването. Кондензаторът на включването Cc се разрежда. Токът на
разряда, който не може да бъде измерен директно, е много кратък импулс в
наносекундния диапазон. Зарядите с различни полярности, получени при разряда, се
придвижват до стените на включването в направление на полето, противоположно на
първичното поле. Дейонизацоонните процеси възстановяват електрическата якост на
газовата междина. При нарастване на напрежението продължават да се натрупват заряди и
с достигане на разрядното напрежение частичните разряди продължават да се развиват.
Фиг. 1 (а) Диелектрик, съдържащ газово включване (б) Заместваща схема
Възприето е, че силовите линии, започващи или завършващи в стените на
включването, образуват двата кондензатора '
bC и
''
bC в диелектрика. Всички силови линии
извън включването са представени с капацитет ' ''
a a aC C C . Стойността на капацитетите
винаги ще се подчинява на неравенството
a c bC C C , (1)
където ' '' ' ''
/( )b b b b b
C C C C C .
Еквивалентната електрическа заместваща схема е показана на фиг.1(б). Ключът S
се управлява от напрежението Uc върху кондензатора на включването с капацитет Cc и е
затворен само за много кратък период от време, през който протича токът ic(t). Резисторът
R ограничава амплитудите на тока ic(t).
Нека приемем, че напрежението между двата електрода е Uc, но изводите 1 и 2 вече
не са включени към източник на напрежение. Ако S е затворен, токът ( )c
i t освобождава
заряд c cq C U от Cc. Като сравним зарядите в системата преди и след разряда, падът на
напрежението на изводите аU може да бъде изчислен по закона:
8
ba c
a b
CU U
C C
. (2)
Този пад на напрежение не съдържа информация за заряда c
q , но е
пропорционален на ( )b c
C U - величина свързана със заряда, тъй като Cb се увеличава с
увеличаване на диаметъра на включването.
Падът аU може да се измери. Той е противоположен по знак на посоката на
изменение на захранващото напрежение и е с време на нарастване, зависещо от
продължителността на ( )c
i t . Амплитудата е малка, тъй като cU е в диапазона 10
2 до 10
3
V, но отношението Ca/Cb е малко (10-3
). Като абсолютна стойност приложеното
напрежение Ua е много по-високо от cU и отношението /
a aU U е по-малка от 10
-3.
Поради това директното измерване на това изменение е трудна задача. Ето защо веригите
за откриване на частични разряди се базират на друг параметър, който може веднага да
бъде получен от схемата, показана на фиг.2. Опитната постановка от фиг.1(а) сега е
свързана към източник на променливо напрежение U. Импедансът Z включва или само
съпротивлението на проводниците между източника и обекта Сk/Ct, или е увеличен с
реактивно съпротивление. Той отделя кондензатора на връзката Сk и тествания обект Ct от
източника на напрежение по време на развитие на частичния разряд.
Фиг. 2 Изпитвания обект Ct във верига за измерване на частични разряди
Кондензаторът на връзката се зарежда по време на частичния разряд. Зарядът му
обуславя тока i(t), протичащ между Сk и Ct, който се стреми да намали пада на напрежение
aU върху t
C . Ако c tC C , то a
U е напълно компенсиран и обменът на заряди се
изчислява чрез закона:
0
( ) ( )a b aq i t dt C C U
(3)
Като се вземе предвид уравнение (2), този заряд става:
b cq C U (4)
Зарядът q e “привидният заряд” от частичния разряд, тъй като отново не е равен на
зарядите, участващи в него. Въпреки това той е по-реалистичен от aU в уравнение (2),
защото капацитетът Ca няма влияние върху него. Условието ak CC не е приложимо в
практиката, тъй като или Ca e твърде голям или товарът на източника е висок. За
определена стойност на Ck зарядът q или токът i(t) са ограничени, тъй като напрежението
върху Ck ще падне по време на обмена на заряди. Обозначаваме този пад с *
aU и го
изчисляваме, като имаме предвид, че един и същи заряд трябва да бъде пренесен във
веригите от фиг.1(б) и фиг.2. Следователно: *( ) ( )a a b a a b kU C C U C C C . (5)
9
Като заместим (2) и (4) в (5) получаваме:
* bc
a b k a b k
C qU U
C C C C C C
. (6)
Трансферът на заряди от Ck към Ct от ограничения ток i(t) е почти равен на *
cC U ,
и следователно е свързан с ―привидния заряд‖, който може да се измери на практика. Ако
означим този заряд с qm, то
* k km c
a b k a k
C Cq C U q q
C C C C C
(7)
или
kt
k
ka
km
CC
C
CC
C
q
q
. (8)
Въпреки че kC и tC може да се знаят с точност, възможността за измерване на
малките стойности на привидния разряд – q, намалява. Това се дължи на факта, че
уредите, способни да интегрират тока i(t), ще имат много ниска граница за qm. Въпреки
това, уравнение (8) трябва да се използва за коригиране на измерените стойности, тъй като
q е ―привидният заряд‖ на тествания обект.
1.5. Съществуващи системи за мониторинг на силови трансформатори
В системите за мониторинг са заложени наблюдението, анализа и оценката на
дадено явление. Съществуват различни подходи за определяне на състоянието на
силовите трансформатори, които се използват от водещите фирми в тази област.
Система за мониторинг, предлагана от компанията AREVA
Системата за непрекъснат мониторинг MS 2000 предлага ранно предупреждение за
предстоящи повреди, което осигурява време за спиране, поддръжка или ремонт преди
малките проблеми да прераснат в големи. MS 2000 обхваща следните основни възли на
трансформатора: активна част, стъпален регулатор, проходни изолатори и охладителната
система. Отчитането на данните от различните видове датчици се извършва автоматично
на определен период от време, от няколко мили секунди до минути, в зависимост от
характера на изменение на контролираната величина и техническите възможности на
използвания датчик. Внедрените в България системи за мониторинг не отчитат наличието
на частичните разряди.
Системи за мониторинг, използвани от компанията ABB
Системата ICMsys8 е специално разработена модерна система за откриване на
частични разряди, развиващи се в обема на силови трансформатори. Тя регистрира
токовите импулси от появилите се частични разряди като използва осем канала, свързани
с осем измервателни сензора поставени по изводите на трансформатора. Сигналът от
всеки един канал се филтрира посредством филтър с широка лента на пропускане.
Определянето на сигнала от частичния разряд се извършва спрямо стандартите IEC в pC
или IEEE в µV.
Друга система за диагностика е PRPDA (Phase-Resolving Partial Discharge Analyzer).
Тя се основа на двумерен или тримерен модел на частичен разряд. При двумерния модел
се анализира фазовият ъгъл, амплитудата на разряда и брой регистрирани ЧР, а при
тримерния модел се добавя конкретна информация за броя на регистрираните ЧР от всеки
един измервателен канал.
Акустичният метод за откриване на частични разряди е заложен в системата TTD
(Tree-Transducer Detector). TTD системата е спряна от производство, но все още се
използва. Тя използва минимум три акустични сензора, разположени близо един до друг,
които представляват пиезоелектрически преобразуватели, а източникът на частичен
10
разряд се разглежда като източник на звукова вълна. Тази система разполага със собствена
х, у и z координатна система и определя посоката на звуковата вълна.
Система за мониторинг предлагана от компанията OMICRON
Системата MPD600 Partial Discharge Analysis System е от най-висок клас и е с
висока прецизност. Представлява модулна система за откриване, запис и анализ на
частични разряди. Тя е универсална и може да се използва както в лабораторни условия,
така и за реално измерване на частични разряди във всякакъв вид електрическо
оборудване като трансформатори, въртящи се машини и кабели. MPD600 работи с
променлива честотна лента в порядъка от 9 kHz до 3 MHz и е в пълно съответствие с
международните стандарти IEC 60270-2000. Използва се оптична мрежа, за да се постигне
пълна синхронизация на свързаните звена (до нано секунди); извършва се постоянно
регистриране на сигналите от частични разряди и всички измервани величини се отчитат
дистанционно.
Изброените системи за мониторинг на съоръжението са много скъпи и трудни за
обслужване от експлоатационния персонал. Част от тях не отчитат развитието на частични
разряди. Това налага разработване на нова, по-приложима методология, която в детайли е
описана в дисертационният труд.
1.6. Цел и задачи на дисертационната работа
Направеният литературен обзор и анализът на съществуващите проблеми при
изследването на частичните разряди, трудностите при измерването им в съоръжения като
силовите трансформатори, скъпите промишлени системи за мониторинг, определят целта
на дисертационния труд, а именно да се разработи методология за изследване на частични
разряди и съответна софтуерна система за определяне на състоянието на изследваните
силови трансформатори.
За реализиране на тези цел са поставени следните задачи:
Разработка на ефективен метод за локализиране на мястото на частичен разряд в
обема на изследвания силовия трансформатор.
Изготвяне на алгоритъм и програма, която определя координатите на частичен
разряд в обема на силовия трансформатор и направа на съответна програмна
реализация на алгоритъма.
Разработване на програма за онагледяване с опростен модел на трансформатор и
точното местоположение на частичния разряд.
Да се провери експериментално класификацията на видовете частични разряди и да
се разработи програма за класификация.
Да се изготвят критерии за определяне степента на надеждност за изследвания
трансформатор.
Да се разработи експертна система за диагностика на силов трансформатор, в която
освен международните стандарти за частични разряди да се съчетаят и изготвените
програмни решения за определяне мястото на частичния разряд, визуализация на
мястото, класификация и критериите за определяне степента на надеждност на
трансформатора.
Да се тества разработената експертна система с данни от реални измервания на
частични разряди в силови трансформатори.
Глава втора – Диагностика на силови трансформатори. Изследване и моделиране на
частични разряди в силови трансформатори
2.1. Същност и общи принципи на диагностиката
В тази глава са формулирани и структурирани диагностични мероприятия,
съгласно стандартните тълкувания на диагностичната технология.
11
Наличието на информация за причините за възникване на дефектите и факторите,
влияещи на тяхното развитие, спомага за отстраняване или забавяне на тези дефекти чрез
адекватни въздействия.
Задачите на специалистите по диагностика е да анализират и синтезират
информацията за съществуващите дефекти, причините и механизмите за тяхната поява и
развитие. На тази база те трябва да препоръчат оптимални технически мероприятия за
следваща експлоатация на съоръженията.
Мероприятията за диагностика се реализират в три основни направления,
представени на фиг.10:
- оглед,
- диагностиране,
- мониторинг.
Фиг. 10 Блокова схема на диагностичните мероприятия
2.2. Диагностика на силови трансформатори
Структурата на силовите трансформатори се характеризира с множество системи с
взаимно свързани възли и агрегати. Силовият трансформатор се състои от електрическа,
изолационна, магнитна, охладителна и механична система.
Сложната структура на силовия трансформатор е причина за многообразието на
възможните дефекти в подсистемите и отделните му части.
Диагностика
Оглед Диагностиране Мониторинг
Оперативно диагностиране Обследване на обекта
Акустично
диагностиране
Вибрационно
диагностиране
Физико -химично
диагностиране
Термовизионно
диагностиране
Електрически
методи за
оперативно
диагностиране
Електрически,
физически,
химически,
технически,
механически и др.
методи
Обем на
ремонтно
възстановителни
те работи
12
Фиг. 12 Класификация на дефектите в силов трансформатор
13
2.3. Изследване и моделиране на частични разряди
Един от начините да се направи точна диагностика за състоянието на силов
трансформатор е да се реализира измерване и анализ на частичните разряди появили се в
обема му. Това е и основната цел на настоящата дисертационна работа – да се направи
оценка на работоспособността на съоръжението, базирана на вида на измерения частичен
разряд и мястото му на поява. За по-голяма яснота на фиг. 14 е показана блоковата схема
на използвания алгоритъм. Системата се състои от модул за калибриране, модул за
измерване, модул за сравнение, модул за изчисление, модул за визуализация, модул за
определяне вида и мястото на частичния разряд, модул за химичното състояние на
маслото. В последния модул се получава най-важния резултат, а именно в него се
определя реалното състояние на изследвания трансформатор.
Фиг. 14 Блокова схема на система за анализ на частични разряди
2.3.1. Модул за калибриране
Процедурата на измерване започва с изключване на изследвания обект от
енергийната система, монтаж на измервателните датчици на подходящи за целта места и
свързването им със специален осцилоскоп посредством оптични проводници. След това се
определя калибрационната матрица като последователно на всеки измервателен вход се
подава сигнал от калибриращ генератор. Определя се скоростта на разпространение на
вълната до измервателните импеданси и се съставя матрица на време-закъснението за
сигналите. Характерно е, че скоростта на разпространение е различна за различните среди
на разпространение (масло, намотки, магнитопровод и др.). Определя се средната скорост
на разпространение на електромагнитната вълна от частичния разряд.
2.3.2. Модул за измерване
Появата на частичен разряд във вътрешността на силов трансформатор може да се
измери на неговите изводи при използване на електрическия метод. Измервателната
система, за този случай, се състои от измервателни датчици или сензори, оптични
проводници, осцилоскоп и компютър, в който се съхраняват файловете с направените
записи. Сензорите за измерване на частични разряди измерват напрежение или ток, като
се монтират на изводите на трансформатора или на заземени места по повърхността му.
Изследван обект
Модул за калибриране Модул за измерване
Модул за сравнение Модул за изчисление
Химичен анализ на
маслото
Модул за визуализация
Модул за класификация
Модул за определяне
реалното състояние
на обекта
14
Проходните изолатори на силовите трансформатори имат измервателни изводи
(ПИН), които са удобни за присъединяване на измервателни датчици или така наречените
сензори. Подходящо място за монтаж на допълнителни измервателни датчици са метални
части от казана на трансформатора, които са свързани с болтови съединения (ревизионни
отвори, фланци на охладителите и др.).
Регистрирането на вълните, породени от частичните разряди, започва с
включването на трансформатора. За всяка форма на вълната на напрежение се регистрират
едновременно сигналите от измервателните импеданси чрез многоканален цифров
осцилоскоп.
2.3.3. Модул за сравнение
Основната цел на този модул е определяне на време закъснението на сигналите от
частичния разряд, измерени от съответните датчици и достигнали до каналите на
осцилоскопа. При наличие на частичен разряд в силовия трансформатор възникналата
електромагнитна вълна се разпространява в обема му и достига до мястото на измерване
със закъснение, съответстващо на скоростта на разпространение. По време на
разпространението си електромагнитната вълна се пречупва, отразява и деформира, а
деформацията на вълната зависи от пътя на нейното разпространение. При един източник
на частични разряди времето на разпространение на вълната до измервателните
импеданси в точките на измерване е различно и е по-голямо до по-отдалечените
измервателни точки.
Методът, който се предлага в дисертацията за определяне на реалната позиция на
частичния разряд, се основава на използването времената на регистриране на сигнали от
различните измервателни канали, сравнени един с друг. След филтрация на измерените
сигнали закъсненията се отчитат по-лесно въз основа на първата си поява.
В дисертацията е реализиран софтуерен продукт, който въз основа на измерените
сигнали разпознава появата на частичен разряд и показва последователността на
регистриране на сигнала от всички измервателни датчици. Тази информация е необходима
за определяне на време закъсненията на сигнала до съответния датчик. Направени са
опити със симулирани сигнали от частични разряди, като данните са групирани в четири
случая: ТЕСТ 1, ТЕСТ 2, ТЕСТ 3 и ТЕСТ 4.
2.3.4. Модул за изчисление
Целта на този модул е да се определи местоположението на частичния разряд в
обема на изследвания трансформатор.
За да бъде определено точното място на разряда се приема, че разстоянието до
дефекта зависи от произведението на времето за регистриране на сигнала и скоростта на
разпространение на вълната. За по-точно локализиране е необходимо да се регистрират
измерванията от минимум четири измервателни импеданси, като трансформаторът, чрез
размерите си, задава ограничителните условия, в които се търси решението.
Разработен е математичен модел за определяне мястото на частичен разряд според
който се приема, че iii zyx ,, , i=1,…,n са координатите на i-тата точка, в която е
регистрирано закъснение it , i=1,…,n на електромагнитната вълна, породена от
частичния разряд. Неизвестните координати на мястото на частичния разряд са (x, y, z).
Тогава разстоянието от мястото на частичния разряд до точката iii zyx ,, е
2 2 2( ) ( ) ( )i i i ir x x y y z z . (36)
Същевременно ir може да бъде изразено и чрез закъснението it на
електромагнитната вълна
( ) ( )i ir t V t t , (37)
15
където V е скоростта на електромагнитната вълна, а t е времето, което е еднакво за всички
точки на измерване.
Въз основа на горните разглеждания мястото на частичния разряд може да се
получи по следния начин: oколо всяка точка i(i=1, 2, …,n), в която е регистрирано
съответното закъснение it на вълновия процес, се построява сфера с радиус (0) .ir V t .
Като се увеличава времето t се строят различните сфери до пресичането им.
Разгледаната процедура по локализация на мястото може да бъде сведена до
решаване на следната минимизационна задача
2 2 2 2
( , , , )1
min ( ) ( ) ( ) ( . . )
n
i i i ix y z t
i
x x y y z z V t V t
, (38)
където в случая неизвестните величини са координатите на частичния разряд и времето t.
Фиг.33 Модел на силов трансформатор и позиция на ЧР
Търсеното решение на задачата се намира в пресечната област на всички сфери по
осите х, у и z.
2.3.5. Визуализация на мястото на възникване на частичния разряд
След като позицията на частичния разряд е изчислена и определена в тримерното
пространство със съответните координати, трябва да се намери в кои от съставните
елементи на трансформатора се развива частичния разряд. Въз основа на конструктивния
чертеж на изследвания обект се задават основните параметри на съставните му елементи,
а след това положението на измервателните датчици и изчислената позиция на
развиващия се частичен разряд. От получения модел може да се вземе решение в кой
елемент или между кои елементи е повредата.
За да работи вярно програмата, операторът трябва да въведе размерите на
трансформатора, местоположението на бобините, янсеновия регулатор, измервателните
сензори и най-накрая позицията на частичния разряд, която е изчислена от предходния
модул. Местоположението на частичния разряд се вижда върху модела и въз основа на
това операторът може да вземе решение къде точно се развива повредата.
Област на развитие на ЧР
16
2.3.6. Модул за класификация на частичните разряди
Този модул служи за анализ на измерените сигнали от частични разряди по форма
и амплитуда като е въведена определена класификация. Входни данни за него се извличат
от осцилограмите за съответното измерване в зависимост от следните параметри:място на
възникване на частичен разряд върху опитната вълна на работното напрежение,
променливост на процеса, относителна амплитуда на разрядите, работно напрежение и
продължителност на развитие на частичния разряд.
На изхода на модула се определя съответния случай за поява на частичен разряд.
В таблица П1 от приложение 1 в дисертацията са дадени най-често срещаните в
практиката случаи за поява на частични разряди.
Цялата тази информация е въведена в софтуерна програма, която е реализирана в
настоящата разработка, въз основа на модула за класификация на частичните разряди се
определя съответния случай на неговото развитие.
2.3.7. Химически анализ на маслото в трансформатора
Анализът на разтворените в трансформаторното масло газове е много ценно
помощно средство за своевременното откриване на повреди. При възникване на повреди в
силовите трансформатори, свързани с разрушаване на изолационните материали, в
маслото на трансформатора се отделят газове.
Методите за интерпретация на резултатите от газ-хроматографски анализ на
трансформаторно масло са утвърдени като начален етап за оценка на състоянието на
масло напълнените съоръжения. За да се уточни видът и степента на опасност на
повредата се прилагат допълнителни електрически измервания, най-често проверка за
наличието на частични разряди и при необходимост ревизия на съоръжението.
2.3.8. Модул за реалното състояние на изследвания силов трансформатор
В дисертацията е разработен модул, чрез който се определя реалното състояние на
силовия трансформатор. В него се включват най-важните параметри определящи
безаварийната работа на трансформатора и се генерира решение колко опасна може да
бъде бъдещата работа на съоръжението при възникналия частичен разряд.
Като входни данни за модула са параметрите, определящи състоянието на
трансформатора, а именно: мястото на поява на частичния разряд, съответният случай на
развитието му и състоянието на трансформаторното масло.
Възможните случаи за поява на частичен разряд, въведени в базата данни са: A, B,
C, D, E, F, G, H, J, K, L, M и N. Елементите от конструкцията на силовия трансформатор,
където най-често те възникват са обединени в следните групи: янсенов регулатор, казан,
намотки, изводи и други. За улеснение на тази сложна задача се приема, че състоянието на
трансформаторното масло е или добро или лошо.
Базирайки се на опита на експертите в областта, състоянието на трансформатора
може да се класифицира на три нива и като изходни данни за модула се получават:
Първо ниво - добро за работа, т.е. „Работи”,
Второ ниво - може да работи при определени условия, т.е. „Внимание”,
Трето ниво - има опасност от повреда, т.е. „Опасност”.
Възможните комбинации между изброените параметри са показани в таблица 4 от
дисертацията.
2.4. Изводи - Изготвеният софтуер позволява локализиране на мястото на частичния
разряд в обема на силовия трансформатор.
- Реализирана е програма за изчисление, която определя координатите на
частичния разряд в обема на силовия трансформатор.
- Определено е мястото и вида на развитие на частичния разряд в зависимост
от мястото на развитие на частичния разряд в обема на трансформатора и
17
вида на измерената електромагнитна вълна, получена от частичния разряд.
- Дефинирани са критерии за определяне степента на надеждност за
изследвания трансформатор.
Глава трета – Практическо приложение на метода за откриване на частични разряди
в експлоатационни условия и анализ на резултатите
Методът за откриване вида и мястото на частичния разряд, показан дотук в
дисертацията е приложен многократно. В тази глава е описано подробно какви
измервания са направени в лабораторни и експлоатационни условия, и е направен
подробен анализ на резултатите като е приложен разработения софтуер.
3.1. Измерване на характеристиките на частични разряди от физичен модел в
лабораторни условия
3.1.1. Процедура на изпитване
Направени са изследвания с различни физични модели: сфера-сфера; острие-сфера;
острие-плоскост и при различни среди на развитие на частичните разряди: въздух и масло.
След свързване на електрическата верига, паралелно на източника на частичен разряд се
свързва генератор на градуиращ сигнал. Измерва се формата на сигнала. Съставят се
матриците и коефициентите на предаване на сигнала по амплитуда, привиден заряд и
време на разпространение.
Фиг. 70 Схема на опитната постановка
3.2. Симулация на направените лабораторни опити с програмния продукт
Quick Field 5.6. и анализ чрез метода с крайните елементи (МКЕ)
На фиг. 76 е показан моделът на разрядник, който е използван за провеждане както
на лабораторните опити, така също и за симулациите.
Фиг. 76 Модел с острие и медна плоскост в диелектрик
и изолационна хартия между тях
Моделът се състои от два електрода, поставени в диелектрик въздух или
трансформаторно масло, като е поставена изолационна хартия помежду им. Електрод 1 е
острие с дължина 50 mm, а електрод 2 е медна плоскост с размери 40x100x0.5mm.
1
2
3
4
Цифров
осцилоскоп
Разрядник в
маслен съд
R защ
Източник на
високо
напрежение
Делител
високо
напрежение
Измервателен
импеданс
18
Диелектрик 3 може да бъде въздух (с относителна диелектрична проницаемост εr=1 и
интензитет на електрическото поле Er=30 kV/cm, зависеща от налягането) или
трансформаторно масло(с относителна диелектрична проницаемост εr=2.1 и интензитет на
електрическото поле Er=120-240 kV/cm, зависеща от налягането). Листът изолационна
хартия 4 е също диелектрик с относителна диелектрична проницаемост εr=3.5-4.
Разстоянието между електродите е от 1 mm до 10 mm. Приложеното напрежение се
променя от 150 V до 4 kV.
3.3. Сравнение на резултатите от лабораторните опити и симулацията
Експериментът бе направен в Лабораторията за високо напрежение към
Технически университет София. Моделът отговаря на част от изолацията на силов,
маслен трансформатор. Използвани са два вида електроди – тънко острие и медна
плоскост. Те са свързани към електрическата верига, както е показано на фиг. 86 и са
снети измерванията. Електрическата верига позволява измерване на реалната форма на
вълната от частичния разряд. След това е по-лесно да се снеме информация за
разпределението на частичния разряд спрямо фазата на входното напрежение, вида на
вълната и амплитудата на всеки сигнал. Тази информация бе необходима за провеждане
на симулацията на процеса разряд.
Опитът бе направен с два различни диелектрика – въздух и трансформаторно
масло. Парче от изолационна хартия бе поставена между електродите острие и медна
плоскост и експериментът бе повторен. Всички параметри на ЧР бяха определени за
всеки един от описаните случаи.
Таблица 5. Резултати от направеното изследване
Диелектрик,
Er Вид на експеримента
Пробивно
напрежение, V
Опитно FEM
Въздух
Er=30 kV/cm
Острие-плоскост 440
410 400
Острие-плоскост-хартия
250
375 380
350
Трансформаторно
масло
Er=120 kV/cm
Острие-плоскост
160
285 350
330
Острие-плоскост-хартия
520
440 420
500
Резултатите, получени при лабораторните измервания и тези от симулациите са
близки. Различията се дължат на това, че след първия разряд свойствата на диелектрика
се променят.
Представеното моделиране на електрическото поле в система с два различни
електрода, поставени при различни условия ни дава възможност да определим при какво
опитно напрежение възникват частичните разряди.
3.4. Измерване характеристиките на частични разряди, развиващи се в силов
трансформатор в експлоатационни условия
19
3.4.1. Еднофазен силов автотрансформатор 400/220 кV
Поради съмнения за повреда бе изследван еднофазен силов автотрансформатор
400/220 кV в АЕЦ Козлодуй. След направените измервания бе потвърдено наличието на
частични разряди.
Фиг. 87 Еднофазен силов автотрансформатор 400/220 кV
Измервателните импеданси се присъединяват към изводите: първи 220 кV (220/1),
втори 220 кV (220/2), 400 кV, неутрала (N), екран (E) и фланец на охладителната система
(Z). Те са свързани към цифров осцилоскоп посредством оптични кабели.
Най-бързо вълната достига до извод 400 кV. Приема се, че времето за пристигане
на сигнала от мястото на частичния разряд до извод 400 кV е ―t‖. Тогава времето за
пристигане на сигнала от частичния разряд до останалите измервателни сензори е дадено
в таблица 6:
Таблица 6.Отчетени времезакъснения
Време, ns
Извод
Измерване в 15.00
часа
Измерване в 16.00
часа
Средно аритметично
400 кV t t +1.25 t +0.625
220/1 кV t + 48 t + 53.25 t + 50.62
220/2 кV t + 55 t + 54.25 t + 54.62
Екран (Е) t + 16 t + 17.25 t + 16.63
Неутрала (N) t + 5 t + 5 t + 5
Фланец (Z) t + 10 t + 10 t + 10
Измервателен
импеданс към
фланец
Измервателен
импеданс към
400 кV Измервателен
импеданс към
неутрала Измервателен
импеданс
към220 кV/1
Измервателен
импеданс към
220 кV/2
Измервателен
импеданс към
екран
20
При прилагане на метода, описан в дисертацията, мястото на частичния разряд
може да се получи, като около позицията на всеки измервателен сензор се построява
сфера с радиус (0) ( )ir V t t . Като се увеличава времето t, с една и съща итерационна
стъпка, се построяват различните сфери до пресичането им и се определя
местоположението на частичния разряд, както е показано на фиг. 93.
Фиг. 93 Позиция на ЧР
3.4.1.1. Симулации
Процедура на тестване с реални данни на Модул за изчисление:
Първа стъпка – натиска се бутонът ―START CALCULATION MODULE‖.
Втора стъпка – въвеждат се необходимите входни данни:
o n – брой измервателни сензори;
o V– скорост на електромагнитната вълна;
o Xi, Yi, Zi – координати на измервателните сензори;
o Delta Ti – времезакъснение на измерения сигнал до съответните датчици.
В модула за изчисление всички параметри се въвеждат в основни мерни единици за
системата SI. Като резултат се определя положението на частичния разряд в обема на
трансформатора, т.е. получава се информация за развиващата се повреда спрямо осите х, у
и z.
Трета стъпка – след като се въведат координатите на сензорите и време-
закъсненията се избира бутон ―CALCULATE‖ и програмата изчислява
координатите на частичния разряд в обема на трансформатора, както е показано
на фиг. 94.
Място на
ЧР
21
Фиг. 94 Модул за изчисление – прозорец с информация за автотрансформатора
Входните данни за основния тест са: броят на измервателни сензори, скоростта на
електромагнитната вълна, координатите на сензорите и време-закъсненията. Изходните
данни са координатите на частичния разряд в обема на трансформатора и стъпката от
време, която е еднаква за всички закъснения до пресичане на сферите (X=1,595 m,
Y=7,362 m, Z=3,303 m, t= 17,300 ns)
Провеждане на тестова процедура на Модула за визуализация:
Първа стъпка – натиска се бутонът ―START MODULE OF VISUALIZATION‖ и
се показва началният прозорец на програмата
Втора стъпка – въвеждат се необходимите данни за софтуера:
За начало се задават реалните параметри на трансформатора: дължина – 10 m,
височина – 4 m, ширина – 3 m. След това се въвеждат координатите на ЧР, получени от
изчислителния модул за първи обект (X=1,595 m, Y=7,362 m, Z=3,303 m).
Трета стъпка – при избор на бутон ―Enter Sensors‖ се появява прозорец, в който
се въвеждат координатите за всеки един от сензорите.
Фиг. 95 Модул за визуализация – данни за сензорите
Четвърта стъпка – при избор на бутон ―Enter Coils‖ излиза прозорец, в който се
въвеждат параметрите за бобините на съответния силов трансформатор.
Фиг. 96 Модул за визуализация – данни за бобините
22
Пета стъпка – натиска се бутон ―Visualize‖ и се визуализира изходната
информация за този модул ˗ местоположението на частичния разряд в обема на
съответния силов трансформатор.
Фиг. 97 Модул за визуализация – изходни данни за СТ в АЕЦ Козлодуй
Фиг. 98 Модул за визуализация – изходни данни за СТ в АЕЦ Козлодуй при ротация
Софтуерен тест на Модула за класификация
Първа стъпка – отваря се началният прозорец на Модула за класификация.
Втора стъпка - въвеждат се входните данни:
Място на възникване на частичния разряд върху вълната на работното
напрежение: по-голяма част от импулсите изпреварват положителните и
отрицателни пикове на напрежение;
Променливост на процеса: произволно движение;
23
Относителна амплитуда на разрядите: различни амплитуди за двата
полупериода;
Тестващото напрежение: нараства с тестващо напрежение;
Продължителност на прилагане: постоянно във времето.
Натиска се бутон „Calculate‖ и резултатът се показва в правоъгълника за „Result Case‖.
Изходни данни: резултатът е случай „Н‖, показан на фиг. 102.
Фиг. 102 Модул за класификация – случай Н
Разрядите за случая Н възникват малко преди пиковете на приложеното тестово
напрежение. Те се характеризират с това, че в единия полупериод възникналите частични
разряди са с малка амплитуда, но са повече на брой, а в другия полупериод е обратно -
частичните разряди са с по-голяма амплитуда, но са по-малко на брой. Поради
случайността и спецификата на процеса е възможно да се наблюдават малко колебания
при възникването им в следващи периоди. С увеличаване на изпитващото напрежение е
възможно сигналите от частични разряди да се увеличат.
Област на развитие на частичния разряд
Възникналите частични разряди са между метал и диелектрик в няколко и с
различни размери кухини. Трудно може да се определи дали той възниква между метал и
диелектрик, тъй като кухината може да има метални или въглеродни включвания или
нееднородна повърхностна проводимост. Възможно е това да са повърхностни разряди,
които се появяват между външната метална или въглеродна и диелектрична повърхност.
Тестване на модула с действителни данни от основния тест
Първа стъпка – натиска се бутонът ―START DECISION MODULE‖ и началния
прозорец се появява.
Втора стъпка – въвеждат се входните данни за модула:
Случай на поява на ЧР – случай Н;
Позиция на развитие на ЧР – в казана;
Състояние на маслото – добро.
Трета стъпка – натиска се бутонът ―CALCULATE‖ и се генерира заключение за
състоянието на изследвания обект.
24
Фиг. 103 Модул за определяне реалното състояние на изследвания обект
Като резултат от проведения анализ за основния тест, заключителният модул ни
показа: ATTENTION. Това означава, че трансформаторът може да работи в тези условия,
но трябва да се следи стриктно за бъдещи отклонения от нормалните му работни
характеристики.
На локализираното място в обема на трансформатора се намира вертикален
елемент за притягане на магнитопровода. Този вид поведение имат дефекти, които са
свързани с влошени контакти или при протичане на ток през малки разрядни междини.
Възможно е източниците на частични разряди с такава характеристика да са резултат от:
циркулиращи токове през нарушена изолация на притегателни шпилки, непълно
прекъсване на заземителни контури на отделни елементи, циркулиращи токове в резултат
на разхлабени магнитни шунтове.
Направена е препоръка за продължаване на работата с възможност за отстраняване
на причината в удобно за експлоатацията време.
След като бе отворен трансформаторът за ремонт се установи, че мястото на
повредата съвпада с установеното от нашия анализ и повредата бе в разхлабен вертикален
елемент за притягане на магнитопровода.
а) б) в) г)
Фиг. 104 Снимки на следи от ЧР в казана на автотрансформатора
3.4.2. Трифазен силов трансформатор 400/110/31.5 кV, 250 MVA
Аналогични измервания на трифазен трансформатор 400/110 кV бяха направени в
подстанция Благоевград 400 кV. След изпитвания бе потвърдено наличието на ЧР.
25
Фиг. 105 Трифазен силов трансформатор 400/110 кV
Измервателните импеданси се присъединяват към изводите: фаза А 110 кV, фаза В
110 кV, фаза С 110 кV, фланец (Z1) и кутия (Z2). Те са свързани към цифров осцилоскоп
посредством оптични кабели.
По аналогичен начин на описания в дисертацията пример за АЕЦ Козлодуй, бе
определена средно-статистическа скорост на разпространение на електромагнитната
вълна в силовия трифазен трансформатор. Тя е 6122.10 /ср
V m s .
Най-бързо вълната достига до фаза А 110 кV. Приема се, че времето за пристигане
на сигнала от мястото на частичния разряд до фаза А 110 кV е ―t‖. Тогава времето за
пристигане на сигнала от частичния разряд до останалите измервателни сензори е дадено
в таблица 7:
Таблица 7.Отчетени времезакъснения
Време за пристигане
Извод
Времезакъснение, ns
110A t
110B t +1
110C t + 7
Първи фланец Z1 t + 3
Втори фланец Z2(кутия) t + 43
Измервателен
импеданс към
ПИН на извод
C 110 kV
Измервателен
импеданс към
фланец Z1
Измервателен
импеданс към
ПИН на извод
B 110 kV
Измервателен
импеданс към
ПИН на извод
A 110 kV
Измервателен
импеданс към
фланец Z2
(кутия)
26
Фиг. 110 Позиция на ЧР
Процедура на тестване с реални данни на Модул за изчисление:
Първа стъпка – натиска се бутонът ―START CALCULATION MODULE‖.
Втора стъпка – въвеждат се необходимите входни данни.
o n – брой измервателни сензори;
o V– скорост на електромагнитната вълна;
o Xi, Yi, Zi – координати на измервателните сензори;
o Delta Ti – време-закъснение на измерения сигнал до съответните датчици.
В модула за изчисление всички параметри се въвеждат в основни мерни единици за
системата SI. Като резултат се определя положението на частичния разряд в обема на
трансформатора, т.е. получава се информация за развиващата се повреда спрямо осите х, у
и z.
Трета стъпка – след като се въведат координатите на сензорите и време-
закъсненията се избира бутон ―CALCULATE‖ и програмата изчислява
координатите на частичния разряд в обема на трансформатора, както е показано
на фиг. 111.
Фиг. 111 Модул за изчисление координатите на ЧР
Място на
източника на
частични
разряди
27
Изходните данни са координатите на частичния разряд в обема на трансформатора
и стъпката от време, която е еднаква за всички закъснения до пресичане на сферите
(X=2,802 m, Y=8,374 m, Z=2,547 m, t= 22,700 ns)
Провеждане на тестова процедура на Модула за визуализация:
Първа стъпка – натиска се бутонът ―START MODULE OF VISUALIZATION‖ и
се показва началния прозорец на програмата
Втора стъпка – въвеждат се необходимите данни за софтуера:
За начало се задават реалните параметри на трансформатора: дължина – 11,180 m,
височина – 4,5 m, ширина – 3,2 m. След това се въвеждат координатите на ЧР, получени
от изчислителния модул за първи обект (X=2,802 m, Y=8,374 m, Z=2,547 m).
Трета стъпка – при избор на бутон ―Enter Sensors‖ се появява прозорец, в който
се въвеждат координатите за всеки един от сензорите.
Фиг. 112 Модул за визуализация с данни за сензорите
Четвърта стъпка – при избор на бутон ―Enter Coils‖ излиза прозорец, в който се
въвеждат параметрите за бобините на съответния силов трансформатор.
Фиг. 113 Модул за визуализация с данни за бобините
Пета стъпка – натиска се бутонът ―Visualize‖ и се визуализира изходната
информация за този модул ˗ местоположението на частичния разряд в обема на
трифазния силов трансформатор.
28
Фиг. 114 Модул за визуализация с данни за трифазен трансформатор
Фиг. 115 Модул за визуализация при ротация с данни за трифазен трансформатор
Софтуерен тест на Модула за класификация
Първа стъпка – отваря се началният прозорец на Модула за класификация.
Втора стъпка – въвеждат се входните данни:
Място на възникване на частичния разряд върху вълната на работното
напрежение: по-голямата част от импулсите изпреварват положителните и
отрицателни пикове на напрежение.
Променливост на процеса: стационарно движение.
Относителна амплитуда на разрядите: различни амплитуди за двата
полупериода.
Тестващо напрежение: постоянно в единия полупериод.
29
Продължителност на прилагане: постоянно във времето.
Натиска се бутонът „Calculate‖ и резултатът се показва в правоъгълника за „Result Case‖.
Изходни данни: резултатът е случай „М‖, показан на фиг. 116.
Фиг. 116 Модул за класификация – случай М
Област на развитие на частичния разряд
Разряд от корона, от остър метален връх или ръб, намиращи се в изолационна
течност. Ако по-продължителните разряди са от положителната полувълна на тестваното
напрежение, частичния разряд е по-близо до страна високо напрежение. При
продължителни разряди, регистрирани в отрицателната полувълна – частичния разряд е
към земя.
Тестване на модула за определяне на състоянието на обекта.
Първа стъпка – натиска се бутонът ―START DECISION MODULE‖ и началният
прозорец се появява.
Втора стъпка – въвеждат се входните данни за модула:
Случай на поява на ЧР – случай М;
Позиция на развитие на ЧР – в казан;
Състояние на маслото – добро.
Трета стъпка – натиска се бутонът ―CALCULATE‖ и се генерира заключение за
състоянието на изследвания обект.
30
Фиг. 117 Модул за определяне реалното състояние на трифазния трансформатор
Като резултат от софтуерния анализ, заключителният модул показа внимание или
„ATTENTION‖. Това означава, че трансформаторът може да работи в тези условия, но
трябва да се следи стриктно за бъдещи отклонения от нормалните му работни
характеристики.
Локализиран е един източник на частични разряди, който вероятно се поражда от
влошена контактна връзка на заземителен проводник на електрически екран в основата на
извод А 110 kV. По-малко вероятно е да има влошена контактна връзка между проходен
изолатор на извод А 110 kV и намотка. Източникът на частични разряди не е свързан с
основната твърда изолация на намотки високо напрежение.
Направена е препоръка за възможно най-бързо ремонтиране на трансформатора и
отстраняване на повредата в удобно за експлоатацията време.
След като бе отворен трансформаторът за ремонт се установи, че мястото на
повредата е влошена контактна връзка на заземителен проводник на електрическия екран
в основата на извод А 110 kV, както бе анализирано от софтуерната програма.
3.5. Изводи
- Избрана е схема и метод на измерване на частични разряди в съответствие с
международните стандарти.
- Верифицирани са стандартите, чрез модели изготвени в лабораторни
условия и е проверена описаната класификация в приложение 1 от
дисертацията.
- Посредством определянето на мястото на развитие на частичния разряд в
обема на трансформатора и вида на измерената електромагнитна вълна,
получена от частичния разряд, са изготвени критерии за определяне
степента на надеждност за изследвания трансформатор.
- Посредством изготвения софтуер е определено мястото и вида на частични
разряди в обема на два силови трансформатора в реални експлоатационни
условия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Най-важните резултати, получени при изследванията, изложени в дисертационния
труд, могат да бъдат обобщени както следва:
1. Разработен и приложен е нов метод за локализиране на мястото на частичния
разряд в обема на силовия трансформатор.
31
2. Реализиран е алгоритъм и програмно решение на модул за изчисление, който
определя координатите на частичния разряд в обема на силовия трансформатор.
3. Създаден е програмен продукт, който визуализира изследвания трансформатор и
точното местоположение на частичния разряд, като е наречен „модул за
визуализация‖.
4. Направена е експериментална проверка на класификацията на видовете частични
разряди, която се използва в разработения „модул за класификация‖. Изготвени са
модели и са тествани в лабораторни условия. Доказано е, че направената
класификация отговаря на описаните случаи.
5. Изготвени са критериите за степента на надеждност на изследвания силов
трансформатор.
6. Разработените алгоритми и програми са обединени в експертна системата за
диагностика на трансформатор TDES (Transformer Diagnostic Expert System) с цел
бързо и лесно определяне вида и мястото на частичния разряд.
7. Тестването на разработената система с данни от експлоатационни измервания на
силови трансформатори в АЕЦ Козлодуй и подстанция Благоевград 400kV
потвърждават верността на описания в дисертацията метод.
С представения в дисертацията софтуер, ще може периодично да се прави анализ за
състоянието на трансформатора. При навременно откриване на повредите в
трансформатора и отстраняването им се гарантира по-голяма надеждност на работата на
силовите трансформатори и съответно на електроенергийната система. Разработената
методика може да се прилага за всички видове трансформатори с цел своевременно
откриване на повреди и отстраняването им.
В перспектива, така създадената експертна система за диагностика на
трансформатор „Transformer Diagnostic Expert System‖ (TDES) за оценка на състоянието
на силовия трансформатор по данни от измерването на частични разряди може да бъде
включен в мониторингова система за следене надеждността на силовия трансформатор.
ПУБЛИКАЦИИ ВЪВ ВРЪЗКА С ДИСЕРТАЦИЯТА
1. Рангелов К., Петкова Н., Наков П., Матеев К., ―Локализиране на мястото на дефекти в
силови трансформатори‖, Енергиен форум, Юни 2006, стр. 121-125, Варна, България
(№ 46 от библиографията)
2. Наков П., Петкова Н., Младенов В., ―Метод за откриване на частични разряди в силови
трансформатори‖, списание Енергетика, № 3, стр. 26-30, 2007, София, България (№ 37
от библиографията)
3. Petkova N., Nakov P., Mladenov V., ―Power Transformer’s State Analysis at Partial Dis-
charges Availability‖, IVth International Scientific Symposium ELEKTROENERGETIKA
2007, 19-21. 9.2007, pp. 316 – 318, Stará Lesná, Slovak Republic (№ 80 от
библиографията)
4. Петкова Н., ‖Определяне вида и мястото на повредата в силов трансформатор след
анализ на частични разряди, възникнали в следствие на повредата‖, Лятна школа
Созопол'2007, 2007, Part II, ISBN 978-954-9518-46-7, pp 115 - 119, Созопол, България
(№ 39 от библиографията)
5. Nikolina PETKOVA, Petar NAKOV and Ilona IATCHEVA, ―Electric Field Modelling for
Partial Discharge Investigation‖ , International PhD Seminar on Computational electromag-
netic and optimization in electrical engineering – CEMOEE 2010, pp 108 – 111, 10-13 Sep-
tember, Sofia, Bulgaria (№ 79 от библиографията)
6. Nikolina Petkova, Valeri Mladenov, Petar Nakov, ‖Application of monitoring system for
transformer substations‖, Advanced Aspects of Theoretical Electrical Engineering Sozopol
'2010, pp 90 – 94, September 2010, Sozopol, Bulgaria (№ 78 от библиографията)
32
MODELING, INVESTIGATION AND ANALYSIS OF PARTIAL DIS-
CHAGES IN ROWER TRANSFORMERS
The objective of this work consists of studying a phenomena partial discharge (PD) and
its appearance in insulation system of power transformers (PT). Power transformers are main
equipment in transmission and distribution of electrical power. Their reliable operation requires
an optimum preventive diagnostic and maintenance schedule to be applied. One of the most im-
portant criteria for the power transformer state is the presence of PD.
Partial discharges are electrical discharges, which are developing themselves in parts of
isolation, between electrodes under different potential. The amplitude, the velocity of the modifi-
cation and the place, where the partial discharges take place in the volume of the power trans-
former are of general importance. For that reason in this thesis a methodology has been devel-
oped for define a type and a place of appearance of PD in the volume of PT. A special software
has been realized.
A review of recent international literature has been performed for the characteristics of
PD, their equivalent electric circuits, classification, main parameters and their different impact
and development in the types of dielectrics. A survey of diagnostic methods for location of PD
has been made. The principles of diagnostic and their application in PT have been discussed.
New software products have been made to detect the type and location of PD in the PT and its
graphical representation. Based on the software results an actual assessment of PT and the relia-
bility of its future work have been made.
The main cases of appearance of PD have been tested and their main characteristics
through physical models in High Voltage Laboratory, Technical University – Sofia have been
described. A simulation of the experimental data with Quick Field 5.6. has been made using the
Fine Element Method (FEM). Two power transformers have been investigated for any PD and
new developed software has been applied.
When the measurement system is in operation, the signals from PD are registered. Next,
their impulses are separated and the data is transferred to the Comparison Module. The time de-
lay is obtained between registered PDs from each measuring channel as well as the time of their
occurrence. Then, this information is transferred into the Calculation Module, where the approx-
imate position of PD is established. This position of the PD is visualized through the Visualiza-
tion Module and an expert determines the part of the transformer where the partial discharge
occurs, based on the technical design of the transformer (tap changer, tank, leads, winds or oth-
er). PD signal structure is used and the Module of Classification determines the type of the par-
tial discharge which could be one of the following cases: A, B, C, D, E, F, J, H, L, M or N. To-
gether with the chemical condition of the oil (good or bad) in the power transformer, the final
decision for current state of PT is taken in the Module of Decision. The output data is related to
the state of the transformer: Work, Attention or Danger.
The methodology and the software system can be applied to all types of transformers for
the early detection of faults and their correction.
The system for uninterrupted monitoring provides an early warning for any impending
damages, which assures a long enough period of time for bringing out of operation, and do
maintenance or repair that guarantees that little problems are not to be turned into bigger ones.
State-of-the-art monitoring systems with diagnostic software, comprising analysis of dis-
covering and development of partial discharges, will expand the possibilities and will also be a
step forward for better operation of the corresponding power transformers. The software com-
bines the maintenance by the means for providing dependability and process control.
In the future, the expert system for transformer state assessment ―Transformer Diagnostic
Expert System‖ (TDES), based on the measured data of PD, could be included in a larger moni-
toring system that will be able to more precisely define the reliability of power transformers.
