Диагностическая модель силового трансформатора

Опубликовано: 18 Май 2012

модель силового трансформатора

Мельник П.В. (Пермская ГРЭС, Пермь)

В настоящее время для диагностирования силовых трансформаторов разработан широкий спектр различных методов, каждый из которых с определенной степенью достоверности выявляет некоторые виды дефектов.
Однако ни один из существующих методов диагностирования, включая и хроматографический контроль, сам по себе не дает исчерпывающих сведений о состоянии оборудования. Только комплексный анализ всех характеристик может дать необходимую информацию.
В связи с этим актуальной представляется работа, направленная на развитие      методологической основы   диагностирования электрооборудования путем совершенствования диагностического обеспечения в части правил, методов и алгоритмов диагностирования на основе комплексного подхода. Выполнить такую работу возможно с помощью методов системного анализа, в результате которого должна быть получена основа для построения диагностической модели объекта диагностирования. Под диагностической моделью при этом понимается формализованное описание объекта диагностирования, необходимое для решения диагностических задач, представляющее взаимосвязь между состоянием объекта, его элементами и параметрами. Задачами технического диагностирования являются:

  1. контроль технического состояния;
  2. поиск места и причин отказа (неисправности);
  3. прогнозирование технического состояния.

При системном анализе объект диагностирования представляется как элемент более сложной системы, связанный с ней входными и выходными процессами. Выходным процессом для технического устройства в таком случае является востребованная функция, заложенная в него при проектировании, то есть желаемое проявление его свойств по отношению к системе. Например, для силового блочного трансформатора Пермской ГРЭС выходным процессом является преобразование электроэнергии с заданными параметрами. Входными процессами являются управляемые воздействия на объект со стороны системы, подаваемые с целью получения выходных процессов (для силового блочного трансформатора это электропитание первичной силовой обмотки, охлаждающая среда, электропитание собственных нужд). Кроме того на объект воздействует окружающая среда (неуправляемое воздействие со стороны системы). Важным свойством технического устройства как элемента системы является его внутреннее состояние – свойство, характеризующее его готовность к осуществлению выходных процессов при наличии входных (рис.1).
трансформатор как элемент системы
Рис.1. Силовой трансформатор как элемент системы
Сам объект диагностирования также может быть представлен как система, состоящая из элементов, связанных между собой через входные и выходные процессы. Например, силовой трансформатор можно представить как систему, состоящую из следующих элементов: активная часть, бак с арматурой, и т.п.
В частности, магнитопровод, обмотки с отводами и твердая изоляция имеют следующие востребованные функции (выходные процессы), через которые осуществляется их взаимодействие:

  1. Магнитопровод.
    1. Маршрутизация магнитного потока, наведение ЭДС во вторичной обмотке.
    2. Механическая фиксация магнитных шунтов.
  2. Обмотка с отводами.
    1. Передача электроэнергии.
    2. Создание магнитного потока.
  3. Твердая изоляция.

3.1. Изоляция отводов и обмоток от остова.

Однако взаимодействие элементов трансформатора осуществляется не только через процессы, порожденные востребованными функциями. В данных узлах протекают кроме того следующие процессы: нагрев, охлаждение, вихревые токи, и т.п.
Таким образом, в трансформаторе имеет место сложное взаимодействие различных процессов. После того, как установлены входные и выходные процессы для каждого элемента трансформатора, имеющего определенные ранее востребованные функции; выходные процессы каждого элемента могут быть выражены через востребованные функции данного элемента и входные процессы, которые воздействуют на данный элемент. В результате будет получена функциональная модель силового трансформатора, фрагмент которой представлен в таблице 1.
Функциональная модель демонстрирует, для каких узлов данные процессы являются выходными, какие процессы являются входными для
данных узлов, а также какими востребованными функциями порождены выходные процессы; то есть в функциональной модели показана структура взаимодействия элементов трансформатора через процессы и связь значимых процессов с востребованными функциями трансформатора. Это позволяет решать задачи диагностирования: контролируя несколько наиболее значимых процессов, осуществлять контроль технического состояния; по недопустимому отклонению в любом из контролируемых процессов проследить, какими элементами трансформатора этот процесс инициируется, и какие процессы кроме него являются выходными для данных узлов. По результатам контроля выходных процессов определяется группа узлов, в которых возможна неисправность. Для данных узлов по функциональной модели определяются входные процессы. По результатам контроля входных процессов могут быть сформулированы следующие выводы:

  1. Входные процессы в данные элементы не имеют отклонений от нормы, следовательно несправен один из данных элементов, какой именно – определяется по результатам углубленного анализа всех выходных процессов для данных узлов.
  2. Один или несколько входных процессов в данные элементы имеют отклонения от нормы, следовательно должна быть выделена следующая группа элементов, для которых данные процессы являются выходными. Процедуры в п.п. 1 и 2 повторяются до точного определения неисправного элемента.

После выявления неисправного элемента определяется, какая востребованная функция ограничена или отсутствует в связи с неисправностью элемента. Это позволяет:

  1. Спрогнозировать, на какие узлы благодаря ограничению или отсутствию востребованной функции может распространиться неисправность.
  2. Разработать мероприятия по предотвращению распространения неисправности на другие элементы.

Каждый из процессов, протекающих в ТУ, характеризуется определенными параметрами. Множество параметров, характеризующих процессы, протекающие в МО, далее будем называть Контролируемыми Диагностическими Параметрами (КДП). Для силового трансформатора это величина тока утечки, вибрационные и температурные параметры, и т.п. Кроме того процессы, протекающие в трансформаторе, а также внешние воздействия на трансформатор вызывают структурные изменения в его элементах. Параметры, характеризующие данные изменения, назовем Структурными Диагностическими Параметрами (СДП). Для силового трансформатора это напряжение пробоя масла, и т.п. Текущее состояние трансформатора может характеризоваться вектором состояния, двигающимся в метрическом пространстве состояний, координатами данного вектора являются КДП и СДП.
Для определения состояния должно быть выполнено сопоставление вектора состояния с диагностическими признаками (эталонными векторами).
Диагностическими признаками называются граничные значения диагностических параметров объекта, которые характеризуют техническое состояние объекта (исправное, работоспособное, неисправное неработоспособное, и т.п.). Диагностическими признаками могут являться также граничные значения для вычисленных параметров (соотношение газов в хроматографическим анализе масла). Безусловно, сопоставляемые векторы должны иметь одинаковую разрядность.
Таким образом может быть получена диагностическая модель, структура которой показана на рис.2.
Как видно из рис.2, при решении всех задач диагностирования присутствует процедура распознавания (классификации).
Процедура классификации состоит в том, чтобы отнести вектор состояния к тому или иному классу. Сами классы при этом могут быть либо заданы заранее, либо образовываться в процессе обучения, то есть применения решающих правил к некоторому количеству предъявляемых объектов диагностирования, принадлежность которых к определенному классу состояний известна заранее (опыт эксплуатации диагностируемых ТУ). Определенные сложности для процедуры распознавания возникают в связи с возможностью наложения дефектов.
В качестве решающего правила могут быть использованы формулы для метрического пространства, в том числе и в метриках Евклида.
Процессы характеризуемые диагностическими параметрами, могут протекать с различной скоростью, кроме того при диагностировании различные параметры имеют разную ценность (допустим, изменение тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции и изменение уровня масла в расширительном баке трансформатора). В таком случае для диагностических параметров должны быть введены весовые коэффициенты ω = (ω1, ω2, …, ωn). Эти коэффициенты могут быть заданы экспертами, либо сформированы на основе «обучающего массива»: объема информации о неисправностях данного типа оборудования, накопленного в процессе его эксплуатации. Тогда расстояние между вектором текущего состояния и эталонным вектором будет вычисляться по формуле:


, где ωk – весовой коэффициент к-го параметра, хк-к-й параметр (координата вектора состояния);
Ik – диагностический признак (граничное значение) для к-го параметра при i-м состоянии.
Диагностическая модель силового трансформатора
Рис.2. Структура диагностической модели
Для решения различных задач диагностирования могут быть применены различные формулы, отвечающие аксиомам метрического пространства.
На практике все параметры обычно не контролируются, в частности потому, что на работающем оборудовании не все их можно измерить. Контролируют независимо от технического состояния ТУ лишь наиболее существенные, то есть те, которые являются определяющими для дальнейших процедур. За основу для построения множества существенных параметров целесообразно принять те параметры, которые необходимо постоянно контролировать на работающем оборудовании согласно требований ПТЭ, инструкции завода-изготовителя, «Объема и норм испытаний электрооборудования», и других НТД.
Таблица 1. Фрагмент функциональной модели силового трансформатора (магнитопровод).

Процесс

Функция

Входные процессы

протекание электрического тока

 

 

наведение ЭДС в обмотке

 

 

Нагрев

 

 

вихревые токи

 

 

Тепловое расширение материалов

 

 

Коронирование

 

 

старение, разложение других материалов

 

 

Маршрутизация магнитного потока, наведение ЭДС во вторичной обмотке

Создание магнитного потока, охлаждение, изоляция

Механический износ, усталостные процессы

разложение масла под действием температуры

загрязнение масла

Ослабление болтовых соединений

Вибрация

Если из множества существенных параметров выделить только те, которые не соответствуют признакам нормального состояния, то дальнейшие рассуждения строятся следующим образом: «данные параметры являются характеристиками процессов…” – “которые являются выходными для узлов …” – “в этих узлах протекают процессы…” – “они характеризуются параметрами..- “которые сопоставляются с образцами (признаками)..

  1. “в результате чего определяется состояние….” – “в связи с которым ограничены или отсутствуют востребованные функции….” Для прогнозирования можно с помощью модели определить, для каких узлов процессы, порожденные ограниченными или отсутствующими функциями, является входным, то есть на какие узлы может распространиться неисправность.

С учетом этого уравнения, описывающие процессы в ТУ, могут быть скорректированы, в результате чего будут получены значения диагностических параметров на предстоящий период времени.

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки: ,

Оставить отзыв