Новый подход к определению остаточного ресурса силового электрооборудования

А.А. Верхоланцев, к.т.н., доцент, технический директор, Закрытое акционерное общество «МЕГА ЭКСПЕРТ ЦЕНТР» (ЗАО «МЭЦ», Санкт-Петербург); А.Н. Суслов, директор по развитию ЗАО «МЭЦ» М.Ю. Филиппов, руководитель департамента промышленной безопасности и экспертиз ЗАО «МЭЦ» С.Е. Войтюк, студент, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (Университет ИТМО)

До недавнего времени в электрических сетях предприятий использовались несовершенные методы диагностики высоковольтного оборудования, обладающие двумя существенными недостатками:

- для диагностики высоковольтного оборудования его необходимо на определенное время вывести из работы;

- по результатам диагностики, как правило, не определяется его остаточный ресурс.

№1 (119) 2015

Существующие методы тепловизионного обследования не требуют выведения оборудования из рабочего состояния.

Однако они достаточно дороги и имеют большую погрешность получаемой информации, что не позволяет с большой точностью определять его фактическое состояние и остаточный ресурс.

Применение комплексного диагностического обследования высоковольтного оборудования позволяет оценить его техническое состояние и остаточный ресурс.

Для решения задачи по оценке технического состояния и остаточного ресурса высоковольного оборудования специалистами ЗАО «МЭЦ», разработана локальная система технического диагностирования (ЛСТД).

ЛСТД – это полнофункциональная система, обладающая расширенным комплексом датчиков, охватывающим все его узлы и системы, позволяющая на ранней стадии зафиксировать начало деструктивных процессов.

В настоящей статье описаны принципы работы ЛСТД, разработанной по требованию Заказчика для мониторинга сухих трансформаторов.

Схема логических связей системы мониторинга и диагностики сухого трансформатора

ЛСТД – это совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для создания многоуровневых систем технического диагностирования силовых трансформаторов. Программные и технические средства ЛСТД призваны обеспечить:

- единство системы технического диагностирования;

- наблюдаемость параметров и состояния оборудования в нормальном или аварийном режимах;

- повышение эффективности управления диагностируемым оборудованием;

- повышение безопасности и комфортности работы оперативного и обслуживающего персонала;

- информационное обеспечение производственно-технической деятельности эксплуатационного персонала. ЛСТД имеет модульную структуру и позволяет создавать открытые для модернизации и развития системы диагностирования с любым составом силовых трансформаторов.

Обмен информацией с системами более высокого уровня может выполняться с использованием единой локальной сети, по выделенным цифровым каналам связи или с использованием устройств типа «шлюз», обеспечивающих управляемый обмен между устройствами, имеющими различные интерфейсы.

Состав типов каналов связи определяется техническими требованиями и протоколами информационного обмена, а также составом диагностируемого оборудования и смежных подсистем. ЛСТД строится как единая информационная среда, интегрирующая функции автоматизированного мониторинга и диагностирования силовых трансформаторов, преобразователей частоты и средств цифрового взаимодействия. Описание объектов на основе унифицированной информационной модели позволяет объединить в единую систему отдельные устройства и использовать одинаковые инструментальные программные средства на стадии разработки ЛСТД и на стадии эксплуатации.

ЛСТД построена по трехуровневой схеме (см. рис.) и включает следующие основные элементы:

- 1-й уровень: первичные датчики физических величин и измерительные системы (датчики: температуры – DT1, DT2, DT3, DT4; смещения – DS; давления – DP; магнитного поля – DH; вибрации – DВ; виброскорости – DV);

- 2-й уровень: – совокупность контроллеров с периферийными модулями ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, обеспечивающих сбор и преобразование сигналов, полученных от датчиков первого уровня по оптическим линиям связи, коммутатор сетевой, элементы локальной вычислительной сети, сервер сбора и обработки данных, рабочее место оператора системы, соединительные кабели. Второй уровень обеспечивает также передачу информации о системе и диагностируемых объектах на третий уровень;

- 3-й уровень: – компьютерная система технической диагностики (КСТД). В качестве интерфейса связи с КСТД служит сетевой интерфейс ЛВС 10/100 Мбит/с. В качестве протокола связи использован сетевой протокол Modbus TCP/IP.

Перечень датчиков, используемых в ЛСТД (см. рис.):

- DT – четыре датчика температуры (DT1 (на корпусе трансформатора), DT2 (обмотка ВН), DT3 (обмотка НН), DT4 (сердечник трансформатора);

- DP – датчик давления;

- DS – датчик смещения;

- DV – датчик виброскорости;

- DВ – датчик вибрации;

- DH – датчик магнитного поля;

Локальная система технического диагностирования обеспечивает:

- преобразование физических величин работы трансформаторов, полученных при помощи датчиков: температуры, давления, магнитного поля, вибрации, смещения, виброскорости (1-й уровень) в электрические сигналы;

- нормирование электрических сигналов от датчиков до заданных значений (по току от 0 до 20 мА, по напряжению от –10 до +10 В);

- преобразование сигналов от датчиков в цифровую форму, сбор, контроль и регистрацию информации о состоянии и режимах работы силовых трансформаторов (2-й уровень);

- формирования и передачи управляющего воздействия на элементы аварийной и предупредительной сигнализации;

- математическую обработку расчетно-аналитических задач;

- определение диагностических параметров по расчетноаналитическим моделям;

- проверку исправности аппаратуры нижних уровней;

- ведение электронного журнала учета параметров, измеренных датчиками, и работу с архивами;

- передачу информации о состоянии контролируемых и рассчитываемых параметров оборудования, сигналов аварийной и предупредительной сигнализации в КСТД (на 3-й уровень).

Время установления рабочего режима после включения – не более 2 минут.

Система имеет возможность наращивания количества каналов измерения за счет её масштабирования.

Вероятность безотказной работы в течение 5000 час. непрерывного её использования – не менее 0,98. Срок службы до заводского ремонта – 15 лет, ресурс – 60 тыс. час.

Назначенный полный срок службы – 20 лет.

Использование унифицированных информационных моделей и соответствующих сервисов позволило создать единую концептуальную систему представления данных и интерфейсов с единой средой настройки, что облегчило задачу интеграции в систему устройств и подсистем различных производителей.

Обмен информацией между ЛСТД и 3-м уровнем системы: Организация передачи информации из ЛСТД в системы 3sго уровня осуществляется через шлюз протокола Modbus TCP.

Объем информации, передаваемой от ЛСТД на 3-й уровень, согласовывается с заказчиком.

Основные общесистемные функции ЛСТД:

- тестирование и самодиагностика компонентов ЛСТД;

- диагностирование системы в целом и ее отдельных компонентов выполняется непрерывно и автоматически в течение всего времени нахождения ЛСТД в работе.

В перечень диагностируемых средств входят аппаратура и программные средства устройств верхнего, контроллерного и нижнего уровней.

Архивирование информации:

Все регистрируемые параметры и события подлежат длительному сохранению в виде базы данных (архивов) для ретроспективного анализа состояния и режимов работы электрооборудования.

Средства архивирования выполняют следующие функции:

- мониторинг событий и сбор информации о текущем состоянии объекта;

- архивирование информации и управление хранением;

- защита информации;

- представление архивной информации персоналу.

Архивные данные обеспечивают последующее представление оперативному персоналу различных данных для анализа и подготовки отчетной информации об истории протекания технологических процессов, развития аварии, результатах расчета, справочных данных.

К автоматически архивируемой отностится информация, указанная в конфигурации системы, в основном это: значения аналоговых сигналов, дискретные события, выход параметров за аварийные и предупредительные пределы и вхождение в норму, диагностическая информация по силовому оборудованию, работа устройств технологической сигнализации, системные события, формируемые внутри ЛСТД.

Длительность хранения и режим архивирования для каждого типа информации задается при настройке ПО.

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 фактически выработанного ресурса от температуры, вибрации, частичных разрядов и виброаккустических свойств составных частей трансформатора, а также окружающей температуры при эксплуатации.

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 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.

Основным элементом силовых трансформаторов, наиболее подверженным развитию старения, является изоляция обмоток. Это подтверждает анализ неисправностей трансформаторов. Износ изоляции происходит значительно интенсивнее, чем износ токоведущих частей трансформатора.

Без преувеличения можно сказать, что изоляция трансформатора определяет срок его службы. Отсюда при разработке математической модели оценки технического состояния силовых трансформаторов в качестве критерия оценки был выбран технический ресурс его изоляционных конструкций, а в качестве основных факторов, воздействующих на изоляцию в ходе эксплуатации, – тепловой, электрический и механический факторы.

На практике, для промышленных предприятий, эксплуатирующих высоковольтное оборудование, специалисты ЗАО «МЭЦ» могут проводить соответствующие иструментальные измерения и мониторинг, с составлением протоколов измерений и оценки остаточного ресурса, а также с обеспечением последующей организации проведения экспертиз промышленной безопасности.

Закрытое акционерное общество «МЕГА ЭКСПЕРТ ЦЕНТР»

194358, Санкт-Петербург, пр. Энгельса, д. 154, лит. А, офис 455

тел.: +7 (812) 403-0057 факс: +7 (812) 622-1016

e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.  www.m-expert-c.ru 

Ключевые слова: силовые трансформаторы, диагностирование, износ изоляции, ресурс, высоковольтное оборудование, мониторинг

Журнал "Горная Промышленность" №1 (119) 2015, стр.60