Диагностика электроэнергетического оборудования

Оценка фактического состояния силового электрооборудования по результатам диагностических измерений является на сегодняшний день очень сложной и актуальной задачей. Большая часть электрического оборудования станций, подстанций системы генерации, передачи и распределения электроэнергии выработала свой ресурс, но продолжает эксплуатироваться, так как требуются большие финансовые средства на его замену. Соответственно с каждым годом возрастают затраты на проведение комплексных обследований и диагностики.

В современных условиях эксплуатации парка силового трансформаторного оборудования на энергопредприятиях России следует выделить два момента:

1. Переход от нормативно-установленных сроков ремонта оборудования к ремонту в зависимости от технического состояния.

2. Значительное нарастание парка оборудования отработавшего установленный нормативный срок службы.

Анализ повреждаемости парка блочных трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 110–500 кВ мощностью 63 МВА и более, эксплуатируемых на тепловых и гидравлических электростанциях России показывает, что удельное количество технологических нарушений в работе указанных трансформаторов, приведших к отключению действием автоматических защитных устройств или вынужденному отключению персоналом по аварийной заявке, составляет 2,4% в год. При этом 27% от общего числа таких технологических нарушений сопровождалось возникновением внутренних коротких замыканий.

Из имевших место случаев с внутренними КЗ 28% сопровождались взрывами и пожарами трансформаторов. При этом удельная повреждаемость блочных трансформаторов напряжением 110-500 кВ мощностью 63 MBА и более, сопровождавшихся внутренним коротким замыканием, составляет – 0,66% в год.

К числу основных причин, которые могут приводить к возникновению внутренних коротких замыканий в силовых трансформаторах из-за развития физико-химических процессов следует выделить:

· загрязнение и увлажнение твердой изоляции, обуславливающее перераспределение напряжения на ее участках;

· загрязнение и увлажнение масла, снижающее его электрическую прочность;

· газовыделение из изоляции;

· развитие коллоидно-дисперсных процессов в высоковольтных герметичных вводах, что ведет к снижению прочности масляного канала.

Существенные темпы старения парка электрооборудования в свою очередь потребовали оценки его работоспособности и продления срока службы. Расчеты показывают, что в нынешней ситуации экономически целесообразно продление срока службы на 20 – 30 лет.

В большинстве развитых стран имеются программы обследования оборудования с целью поддержания его надежности на нужном уровне.

Характерные черты современного развития техники контроля состояния силовых трансформаторов:

· создание комплексов различных методов для контроля в работе, периодических проверок и полного обследования. Задача таких комплексов – стремление выявить максимально возможное число видов дефектов, опасных для эксплуатации трансформатора;

· использование при контроле новейших технологий в области измерительной техники: волоконно-оптических устройств, газохроматографического анализа, жидкостной хроматографии, термографии, вибрационных и акустических датчиков высокой чувствительности, газоотделяющих молекулярных мембран, полупроводниковых датчиков газо- и влагосодержания масла и пр.;

· широкое применение вычислительной техники для обработки данных, включая спектральный и частотный анализы, системы защиты от помех, логические системы для анализа полученных данных, сравнения с нормативами, определения тенденций изменения контролируемых параметров. Сбор, передача и отображение данных в удобном для оперативного персонала виде;

· использование «интеллектуальных» систем для анализа результатов измерений, учета условий работы оборудования, в том числе, предыстории его эксплуатации, для постановки диагноза, выдачи рекомендаций оперативному персоналу, решения о дальнейшей работоспособности трансформатора.

В последнее время начали применять анализ развития дефектов и оценку состояния оборудования с применением аппарата нечеткой логики и искусственных нейронных сетей.

В ходе эксплуатации из-за процессов старения материалов и внешних воздействий надежность оборудования снижается, поэтому необходимо проведение работ по поддержанию требуемого технического состояния. Задачами диагностики трансформаторного оборудования являются: выявление дефектов и повреждений, оценка функциональной исправности оборудования, определение возможности продолжения эксплуатации без ремонта, определение объема ремонта в случае его необходимости, оценка остаточного срока службы и мер по продлению срока службы.

Современная система диагностики должна быть системой раннего выявления развивающихся дефектов.

Для создания эффективной системы эксплуатационного контроля электрооборудования необходимо:

1. Обобщить и проанализировать опыт эксплуатации, выявить дефекты, приводящие к отказам, причины их возникновения и ход развития;

2. Определить наблюдаемые параметры (характеристики) оборудования, изменение которых связано с возникновением и развитием дефектов;

3. Выявить связи между значениями параметров и техническим состоянием оборудования; установить предельные значения параметров, характеризующие переход объекта в другой класс технических состояний;

4. Разработать методы измерения этих параметров в условиях эксплуатации, выявить источники помех, определить реально выявляемые изменения параметров (чувствительность метода измерения);

5. Исходя из взаимосвязи изменений совокупности наблюдаемых параметров и технического состояния оборудования, определить объем и периодичность испытаний, а также их последовательность (алгоритм контроля);

6. Установить критерии браковки, учитывающие всю совокупность наблюдаемых изменений технического состояния, оценку их тенденций и условий эксплуатации.

Повреждения по характеру их развития можно разбить на следующие основные группы:

1. Повреждения, при которых переход из исправного (работоспособного) состояния в неработоспособное (отказ) происходит очень быстро (мгновенный отказ);

2. Локальные повреждения (дефекты), которые развиваются до отказа в течение нескольких суток или месяцев;

3. Повреждения (дефекты) с длительным периодом развития до нескольких лет, которые можно рассматривать как процесс ускоренного старения.

Возможны два способа организации контроля оборудования под напряжением:

1. Ранняя диагностика, т.е. выявление признаков ухудшения технического состояния, вызывающих изменения значений контролируемых параметров;

2. Сигнализация предельных состояний, т.е. выявление признаков ухудшения технического состояния, являющихся опасными с точки зрения надежности оборудования.

Ошибки контроля связаны с достоверностью метода диагностики и ошибками испытаний (измерений).

Применяемые методы диагностики не обеспечивают полной достоверности оценки состояния объекта. Результаты измерений включают в себя ошибки, определяемые погрешностями приборов и влиянием помех. Поэтому всегда существует вероятность получения ложного результата контроля:

1. Исправный объект будет признан негодным (ложный дефект или ошибка первого рода);

2. Несправный объект будет признан годным (необнаруженный дефект или ошибка второго рода).

Ошибки первого рода (ложный дефект) увеличивают объем восстановительных работ. Ошибки второго рода (необнаруженный дефект) влекут за собой аварийное повреждение оборудования.

Достоверность метода диагностики определяется степенью связи технического состояния объекта с отображающими его параметрами. Как правило, эта связь – вероятностная (стохастическая). Существует неоднозначность связи значений контролируемых параметров с состоянием объекта при различных видах дефектов. Все это создает ошибки диагностирования, связанные с несовершенством методов контроля.

Повысить достоверность диагноза можно, используя для контроля несколько параметров, характеризующих техническое состояние объекта. Каждый из этих параметров дает информацию об определенной характеристике объекта. Их совокупность обеспечивает повышение вероятности выявления дефектов и возможность более точной оценки их опасности.

Результаты измерений зависят от условий контроля. Так, например, существует зависимость характеристик изоляции от ее температуры. Температура контакта существенно зависит от значения протекающего тока, а результат измерения, кроме того, и от состояния поверхности. Поэтому для целей диагностирования необходимо результаты измерений привести к одинаковым базовым условиям, к сопоставимому виду. Эти условия обычно указываются при установлении браковочных нормативов, а в методике измерений должны быть предусмотрены способы приведения результатов к сопоставимому виду (температурный пересчет и т.п.).

Погрешность измерения есть следствие ограниченной точности измерительных устройств (средств измерения), а также погрешностей, вызванный влиянием внешних факторов.

Концепции обслуживания оборудования:

1. Обслуживание оборудования по данным периодических испытаний в определенном объеме через определенные промежутки времени (традиционная методология).

2. Обслуживание оборудования по его состоянию с проведением, на базе опыта эксплуатации, наиболее эффективных испытаний, как правило, не требующих отключения оборудования.

3. Обслуживание оборудования по критерию надежности с учетом риска отказа и его последствий, что позволяет оптимально использовать имеющиеся запасы прочности.

4. Обслуживание по результатам функциональной диагностики, направленной на оценку работоспособности отдельных подсистем трансформатора с учетом вероятных дефектов и механизма их развития до отказа.

Система двухступенчатых профилактических испытаний (обслуживание по состоянию.Таблица 6.1). Данная концепция испытаний является логическим развитием традиционной системы на базе применения наиболее эффективных методов, а также внедрения новых методов диагностики.

Таблица 6.1. Система двухступенчатой индикации и диагностики состояния трансформаторов, проводимая в энергосистеме

На первом этапе – «индикация состояния» – главной задачей является выявление оборудования, которое работает нормально, с помощью методов, обоснованных опытом эксплуатации и не требующих отключения оборудования. Основу таких испытаний составляют анализы проб масла (измерение содержания продуктов деградации материалов, влаги, примесей, продуктов старения масла). Такие испытания выполняются периодически, обычно не реже одного раза в год.

На втором этапе – «диагностика состояния» – выполняются специальные испытания и проверки, позволяющие определить причину обнаруженной аномалии, локализовать ее и ответить на вопрос, можно ли продолжать и на каких условиях дальнейшую эксплуатацию.

Оценка состояния трансформаторов по результатам периодических испытаний. Объем традиционных периодических испытаний обусловлен руководством «Объем и нормы испытания электрооборудования», а также стандартом IEEE.

Техническое состояние оценивается сравнением с исходными значениями, в качестве которых принимают: значения в паспорте или протоколе заводских испытаний; данные при вводе в эксплуатацию нового оборудования (эксплуатационные испытания); данные после ремонта на специализированном предприятии; данные предыдущих испытаний.

Концепция функциональной диагностики. Данная методология разработана для оценки состояния оборудования после эксплуатации, и основана на следующих положениях:

1.Оборудование представляется в виде ряда функциональных систем (подсистем), состояние которых обеспечивает выполнение главных функций. Если рассматривать диагностику трансформатора, то основными функциями его можно считать: передачу электромагнитной энергии, сохранение электрической прочности изоляции, механической прочности обмоток и целостности токоведущей системы.

2.Основой системы контроля и диагностики является функциональная модель дефектов, определяющая вероятные дефекты или чувствительные зоны в данной конструкции при данных условиях эксплуатации на базе анализа особенностей конструкции и причин отказов в эксплуатации и, соответственно, цели и задачи диагностики.

3. Оценка состояния оборудования представляется в форме системы запросов о состоянии его функциональных подсистем с учетом возможного сценария развития дефектного состояния в отказ.

4. Программа технического обследования концентрируется на выявлении вероятных дефектов путем использования групп методов, характеризующих конкретный дефект.

5. По меньшей мере, две диагностические процедуры требуются для того, чтобы подтвердить наличие дефекта и оценить его количественно.

Оценка состояния оборудования осуществляется, в основном, в рабочих условиях, особенно в предельных условиях в отношении нагрузки, температуры, напряжения. Данная методология не требует обязательной информации о предшествующих характеристиках, но обязательно требует понимания конструкции оборудования и наличия информации о предшествующих критических режимах.

Рис. 6.2. Блочная схема комплексной функциональной диагностики