удк 537.872 Применение прогрессивных методов диагностики...

92

Энергетика и Энергооборудование

Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов 2018 8(1):92–101 ISSN Print 2221-2701eISSN 2541-9595

автор для связи: С. В. Павленко, e-mail: [email protected] author: Sergey V. Pavlenko, e-mail: [email protected]

удк 537.872 DOI: 10.28999/2541-9595-2018-8-1-92-101

Применение прогрессивных методов диагностики высоковольтного энергетического оборудованияС. В. Павленкоа, н. В. Силинb, н. И. Игнатьевb

a ООО «ТранснефтьЭлектросетьСервис» (филиал), ул. Добролюбова, 16, корп. 1, 127254, Москва, Россияb Дальневосточный федеральный университет, ул. Суханова, 8, 690000, Владивосток, Приморский край, Россия

Аннотация Статья посвящена актуальным вопросам технической диагностики ответственного электроэнергетиче-ского оборудования, в частности силовых трансформаторов, установленных на объектах организаций системы «Транснефть» (ОСТ). Концепции технической диагностики энергетического оборудования, принятые на сессиях CIGRE, а так-же отечественными сетевыми компаниями, определили основные цели, задачи и принципы построе-ния современных систем технической диагностики и оценки технического состояния высоковольтного оборудования. Одна из задач, а именно получение и обработка массива диагностической информации, предполагает разработку и внедрение технических средств, обеспечивающих возможность организа-ции мониторинга технического состояния энергооборудования под рабочим напряжением без его от-ключения. Получение экономического эффекта связывается с эволюционным замещением методов, требующих отключения основного оборудования, на контроль под рабочим напряжением.Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что электромагнитные поля, создава-емые электроэнергетическими устройствами во внешней области пространства, отражают их внутрен-нее состояние. В качестве диагностических параметров можно использовать различные характеристики электромагнитного поля. Новые возможности в области электромагнитного контроля появляются при анализе спектрального состава электромагнитного излучения (ЭМИ). Научными коллективами Дальне-восточного федерального университета и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН разра-ботаны основные принципы нового способа электромагнитного контроля, основанного на мониторинге спектров собственного ЭМИ высоковольтного оборудования. Сотрудничество с ООО «ТранснефтьЭлек-тросетьСервис» (ООО «ТЭС») позволило существенно продвинуться в решении основных проблем, связан-ных с практической реализацией метода. В статье представлены основные теоретические положения электромагнитного способа контроля высоковольтного оборудования, в том числе указаны условия выбора конкретных информационных частотных диапазонов, рекомендации по составу информационно-измерительных средств, а также ме-тодические аспекты по организации процедуры технического диагностирования. Показано, что состав спектров ЭМИ отображает конструктивные особенности контролируемого оборудования. Описана про-цедура и результаты практического применения метода электромагнитного контроля для технического диагностирования трансформаторного оборудования, установленного на ГНПС № 1 магистрального нефтепровода (МН) Куюмба – Тайшет.

ключевые слова: электроэнергетическое оборудование, силовой трансформатор, техническое диа-гностирование, электромагнитный контроль, спектр электромагнитного излучения

для цитированияПавленко С. В., Силин Н. В., Игнатьев Н. И. Применение прогрессивных методов диагностики высоковольтного энер-гетического оборудования // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2018. Т. 8. № 1. С. 92–101.

Science & Technologies: Oil and Oil Products Pipeline Transportation

93

ENERGY DEVELOPMENT AND ELECTRICAL EQUIPMENT

2018 8(1):92–101ISSN Print 2221-2701eISSN 2541-9595

Sergey V. Pavlenko, Nikolay V. Silin, Nikolay I. Ignatyev. Application of progressive methods of diagnostics of high voltage power equipment

application of progressive methods of diagnostics of high voltage power equipmentSergey V. Pavlenkoa, Nikolay V. Silinb, Nikolay I. Ignatyevb

a Transneft Electric Network Service, LLC (branch), 16, bldg 1, Dobrolyubova Str., Moscow, 127254, Russian Federationb Far Eastern Federal University, 8 Sukhanova Str., Vladivostok, Primorsky Territory, 690000, Russian Federation

abstractThe article is devoted to topical issues of technical diagnostics of the responsible electric power equipment, in particular, power transformers installed at the facilities of the organizations of the Transneft system.Concepts of technical diagnostics of power equipment, adopted at CIGRE sessions, as well as by domestic net-work companies, determined the main goals, tasks and principles of constructing modern systems for technical diagnostics and assessment of the technical condition of high-voltage equipment. One of the tasks, namely, the receipt and processing of an array of diagnostic information, involves the development and implementation of technical means that provide the ability to monitor the technical condition of power equipment under operating voltage without disconnecting it. The economic effect is attributed to the evolutionary substitution of methods related to the disconnection of the main equipment, to monitoring under operating voltage.Theoretical and experimental studies show that the electromagnetic fields generated by electric power devices in the outer region of space reflect their internal state. As diagnostic parameters, various characteristics of the elec-tromagnetic field can be used. New opportunities in the field of electromagnetic control appear when analyzing the spectral composition of electromagnetic radiation. Scientific teams of the Far Eastern Federal University and the Institute of Automation and Control Processes of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences have developed the basic principles of a new method of electromagnetic monitoring based on monitoring the spectra of intrinsic electromagnetic radiation of high-voltage equipment. Cooperation with Transneft Electric Net-work Service, LLC allowed to make significant progress in solving the main problems associated with the practical implementation of the method. The article presents the main theoretical positions of the electromagnetic method for monitoring high-voltage equipment, including the conditions for selecting specific information frequency ranges, recommendations for the composition of information and measuring tools, and methodological aspects of the organization of the procedure for technical diagnosis. It is shown that the composition of the electromagnetic radiation spectra reflects the design features of the monitored equipment. The procedure and results of the practical application of the electromagnetic control method for technical diagnostics of transformer equipment installed on HOPS-1 of the Kuyumba–Tayshet oil trunk pipeline of Transneft Vostok, LLC are described.

Keywords: electric power equipment, power transformer, technical diagnostics, electromagnetic control, electromagnetic radiation spectrumReference for citingPavlenko S. V., Silin N. V., Ignatyev N. I. Application of progressive methods of diagnostics of high voltage power equipment. Naukatekhnol. truboprov. transp. neftiinefteprod. = Science & Technologies: Oil and Oil Products Pipeline Transportation. 2018;8(1):92–101.

Введение

В соответствии с Программой стратегическо-го развития ПАО «Транснефть» на период до 2020 года одним из приоритетных направле-ний развития магистрального трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов РФ явля-ется обеспечение надежности эксплуатируемой системы магистральных нефтепроводов и нефте-продуктопроводов на основе результатов диагно-стики, реконструкции и модернизации основных фондов. Для ООО «ТЭС» – генерального подряд-чика по организации, проведению и контролю выполнения работ по техническому диагности-рованию и техническому освидетельствованию энергетического оборудования OCТ – вышепере-численные положения предусматривают безу-словное выполнение Программы диагностики энергетического оборудования ПАО «Транснефть»

с высоким качеством и в установленные сроки. Принимая во внимание состав и количество еди-ниц диагностируемого оборудования (рис. 1), это сложная и ответственная задача.

Среди всего спектра диагностируемого обору-дования особое место занимают силовые транс-форматоры класса напряжения 35–220 кВ (да-лее – трансформаторы), относящиеся к наиболее значимым и капиталоемким видам энергетиче-ского оборудования, потеря работоспособности которых связана с большими материальными потерями и катастрофическими последствиями. На объектах ОСТ применяется более 200 единиц трансформаторов типов ТРДН, ТДН, ТМН, ТМГ, ТДТН мощностью от 3200 до 40000 кВА. Диагно-стика этого оборудования выполняется квали-фицированными специалистами с применением современного парка приборов, традиционных и прогрессивных методов диагностики. Выяв-

94


С. В. Павленко, Н. В. Силин, Н. И. Игнатьев. Применение прогрессивных методов диагностики высоковольтного энергетического оборудования


ленные дефекты трансформаторов за период 2014–2016 годов приведены на рис. 2.

концепции контроля и технического диагностирования высоковольтного энергетического оборудования

Традиционные методы технического диагности-рования основаны на проведении периодических испытаний и измерений в соответствии с Правила-ми технической эксплуатации электроустановок потребителей, утвержденными Министерством энергетики РФ и руководящими документами ПАО «Транснефть». Концепции диагностики энер-гетического оборудования подстанций и линий электропередачи электрических сетей, приня-тые на сессиях CIGRE (Международного Совета по большим электрическим системам высокого на-пряжения – Conseil International des Grands Réseaux Electriques), а также отечественными сетевыми компаниями1,2 [2], определили основные цели, задачи и принципы построения современных си-стем диагностики и оценки технического состоя-ния высоковольтного оборудования.

Одна из задач, а именно получение и обра-ботка диагностической информации о состоя-нии энергооборудования подстанций и линий электропередачи, требуемой и достаточной

для организации ремонтно-эксплуатационного обслуживания оборудования по техническому состоянию и для управления его ресурсом, по существу, определяет необходимость повыше-ния эффективности выявления ресурса работы высоковольтного оборудования при минималь-ном вмешательстве в технологический процесс. Получение экономического эффекта обусловле-но замещением методов, предусматривающих отключение основного оборудования, на конт-роль под рабочим напряжением. При этом из множества существующих методов диагности-ки под рабочим напряжением наиболее предпо-чтительными для внедрения являются автома-тизированные методы.

Анализ аварийности силовых трансформато-ров и других единиц высоковольтного оборудова-ния высших классов напряжения показывает, что более 80 % отказов происходит не ввиду выработ-ки физического ресурса, а в результате образова-ния и развития различных дефектов. Получение информации как о наличии дефекта, так и о ди-намике его развития на самой ранней стадии про-цесса позволяет кардинально изменить процеду-ру контроля и технического диагностирования высоковольтного энергетического оборудования (ВВЭО). В этом случае классические испытания, определенные РД 34.45-51.300-973, можно про-

рис. 1. Перечень энергетического оборудования, продиагностированного в 2016 году в соответствии с Программой диагностики энергетического оборудования ПАО «Транснефть»

Fig. 1. The list of power equipment, diagnosed in 2016 in accordance with the Diagnostics program of power equipment of Transneft

1 Положение о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС» / JSC FGC UES Statute on Technical Policy.2 Положение ПАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе / The Rosseti OJSC Statute on Unified Technical Policy in the Power Grid Complex.3 РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования / RD 34.45-51.300-97. Electrical equipment testing scope and standards.

Заземляющие устройстваЭлектродвигатели приводов технологического оборудования

ЩСУ-0,4 кВКомплектные трансформаторные подстанции

Синхронные (асинхронные) электродвигатели МНА (ПНА)Устройства молниезащитыСиловые трансформаторы

Комплектные распределительные устройстваДизельные электростанции (ДЭС)

Паровые и водогрейные котлыКабельные линии электропередачи КЛ-0,4(6; 10; 35; 110) кВ

Дымовые трубыВозбудители синхронных электродвигателей

Электрооборудование НПС (термографическое обследование)Безнапорные емкости вспомогательных систем

Конденсаторные установки

Вдольтрассовые воздушные линии электропередачи ВЛ-6(10) кВ, питающие ВЛ-35(110; 120) кВ

Трубопроводы пара и горячей воды

343 ед. 15,11 %339 ед. 14,93 %

302 ед. 13,30 %279 ед. 12,29 %

250 ед. 11,01 %188 ед. 8,28 %

151 ед. 6,65 %126 ед. 5,55 %

78 ед. 3,44 %74 ед. 3,26 %

61 ед. 2,69 %24 ед. 2,51 %

8 ед. 0,35 %7 ед. 0,31 %

5 ед. 0,22 %2 ед. 0,09 %

24 ед. 2,77 %

850 ед. 97,23 %

итого: 2270 ед.

итого: 874,64 км


95


2018 8(1):92–101ISSN Print 2221-2701eISSN 2541-9595


водить по мере необходимости и в том объеме, который позволяет определить ресурс работо-способности ВВЭО. Внедрение подобных систем контроля в значительной мере способствует обе-спечению энергетической безопасности, реали-зации программы по продлению срока службы ВВЭО, выявлению дефектов на самой ранней ста-дии их появления и развития.

Эффект, возникающий за счет перехода к новым методам технического диагностирования, главным образом определяют следующие факторы:

– возможность автоматизации выработки за-ключений по техническому состоянию с макси-мально возможным уменьшением влияния чело-веческого фактора;

– возможность предотвращения отказов за счет своевременного проведения профилактических мероприятий.

метод электромагнитного контроля ВВэО

Одним из прогрессивных методов диагностики, применяемых ООО «ТЭС», является метод элек-тромагнитного контроля ВВЭО. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что электромагнитные поля, создаваемые элек-троэнергетическими устройствами во внешней области пространства, отражают их внутреннее состояние [3–5]. Внешнее электромагнитное поле оборудования, работающего в нормальном режиме, отличается от поля оборудования, в ко-тором появились дефекты или изменились ус-ловия его эксплуатации. Очевидно, что внешние электромагнитные поля электроэнергетическо-го оборудования можно рассматривать как ин-формационные и использовать их для решения задач контроля и технического диагностирова-ния с помощью внешних информационно-изме-рительных комплексов. В качестве диагности-ческих параметров может быть использован ряд характеристик электромагнитного поля, напри-

мер, модуль вектора или составляющие векторов напряженности электрического и магнитного полей, интегральные параметры, связанные с электромагнитным полем [5].

За последние годы в России и за рубежом раз-работано несколько вариантов методов электро-магнитного контроля ВВЭО, которые основаны на регистрации и обработке данных об электри-ческих сигналах и ЭМИ, распространяющихся от оборудования, находящегося под рабочим на-пряжением [5, 6]. Мощное развитие информаци-онно-измерительной и компьютерной техники позволяет постепенно преодолевать проблемы, связанные с качественной регистрацией сигна-лов, отстройкой от помех, обработкой и хранени-ем больших объемов информации.

Новые возможности в области электромаг-нитного контроля появляются при анализе спек-трального состава ЭМИ [7]. В [8] указывается, что по измеренным спектрам напряжений можно определить спектры источников излучений. Ди-намика изменения спектра ЭМИ связана с про-гнозом технического состояния оборудования. Разработка методов электромагнитного контро-ля ВВЭО требует не только решения вопросов о спектральном составе источников электромаг-нитных возмущений, определения информа-тивных частотных диапазонов, но и проведения исследования процессов излучения и распро-странения ЭМИ на электроэнергетическом объ-екте. Это обусловлено тем, что характер распре-деления собственного электромагнитного поля вблизи оборудования существенно влияет на выбор места расположения измерительной аппа-ратуры и частотных диапазонов, в которых про-водится диагностирование. Кроме того, необхо-димо оценить степень влияния железобетонных и других конструкций как отражающих поверх-ностей на характер распределения поля.

Научными коллективами Дальневосточно-го федерального университета и Института автоматики и процессов управления Дальнево-

рис. 2. Дефекты силовых трансформаторов, выявленные в 2014–2016 годахFig. 2. Power transformers defects revealed in 2014–2016

Масло (физико-химический анализ)Система защиты масла (состояние индикаторного силикагеля в ВОФ)

Внешний вид (подтеки масла, нарушение лакокрасочного покрытия, сколы изоляторов)РПН, ПБВ (состояние контактов переключателя, работоспособность привода)

Система охлаждения (радиаторы, вентиляторы)Изоляция обмоток

Система контроля (реле, термосигнализаторы, трансформаторы тока)Масло (хроматографический анализ газов)

Ошиновка (аппаратные и ответвительные зажимы, шины)Вводы (параметры изоляции, контакты)

Магнитная система (состояние магнитопровода)Обмотки (состояние контактов)

21 ед. 23,86 %16 ед. 18,18 %

15 ед. 17,05 %12 ед. 13,64 %

6 ед. 6,82 %5 ед. 5,68 %

4 ед. 4,55 %4 ед. 4,55 %

2 ед. 2,27 %2 ед. 2,27 %

1 ед. 1,14 %0 ед. 0,00 % итого: 88 ед.

96




сточного отделения РАН разработаны основные принципы нового способа электромагнитного контроля, базирующегося на мониторинге спек-тров собственного ЭМИ высоковольтного обору-дования. Сотрудничество с ООО «ТЭС» позволило существенно продвинуться в решении основных проблем, связанных с практической реализацией метода. Накоплен экспериментальный материал, получены результаты, позволяющие сделать су-щественные шаги в решении проблемных вопро-сов, таких как определение спектров собственно-го ЭМИ силовых трансформаторов, разработка излучающей модели трансформатора, опреде-ление условий регистрации собственных ЭМИ трансформаторов, процедура создания электро-магнитных паспортов.

Диаграммы распределения электромагнит-ного поля вблизи ВВЭО обычно имеют доста-точно сложные конфигурации. Известно, что по мере удаления от источника излучения конфигу-рация поля становится значительно проще, при этом амплитуда напряженности поля убывает с увеличением расстояния, а поверхность, на ко-торой располагаются взаимно ортогональные векторы электрического и магнитного полей, приближается к плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. При до-статочном удалении от ВВЭО, в так называемой дальней зоне, излученное поле приобретает свойства плоской волны.

При построении картины поля в качестве базовой используется система уравнений элек-тромагнитного поля, гармонически изменяю-щегося во времени с частотой ω [8]:

где – вектор напряженности электрического поля;

– вектор магнитной индукции; – вектор напряженности магнитного поля; – вектор плотности тока; – вектор электрического смещения;

ρ – объемная плотность заряда.Эти основные уравнения дополняются уравне-

ниями, характеризующими материальную среду, в которой существует электромагнитное поле:

где ε, μ – абсолютные диэлектрическая и маг-нитная проницаемости среды.

При распространении электромагнитной волны в воздушной среде используются величи-ны ε0, μ0 – электрическая и магнитная постоян-ные. В уравнении (1) плотность тока (A/м2) и объемная плотность заряда ρ (Кл/м3) могут рас-сматриваться как первичные источники элек-трического и магнитного полей. Поскольку обычно расчет ведется относительно векторной

и скалярной U потенциальных функций, удов-летворяющих уравнениям Гельмгольца:

где c – скорость света в вакууме, то в качестве базовых принимают решения [9]:

где R= – расстояние между точкой наблю-дения и точкой расположения источника.

Выражения (2) и (3) представляют собой объ-емные интегралы по источникам поля при распре-делении изолированных зарядов и токов в свобод-ном пространстве внутри объема VS, задаваемого радиусом-вектором тогда как точка наблюдения определяется радиусом-вектором Как только эти потенциалы для заданного распределения ис-точников вычислены, электрическое и магнитное поля могут быть рассчитаны с помощью уравне-ний (4) и (5):

Потенциалы и U связаны между собой кали-бровочным условием Лоренца что позволяет выразить уравнение (5) для электриче-ского поля только через векторный потенциал:

Практические расчеты распределения элек-тромагнитного поля вблизи ВВЭО можно осу-ществлять с помощью излучающей модели, со-гласно которой наружные вертикальные части вводов, изолированные от заземленного метал-лического корпуса, рассматриваются как шты-ревые вибраторные антенны вертикальной по-ляризации с эквивалентными добротностями Qант ≲ 3,5. Эти антенны излучают электромагнит-ные колебания на частотах, близких к значениям резонансных частот:

где i – условное обозначение ввода;n – числа натурального ряда, определяющие но-мера рассматриваемых резонансов излучений; с – скорость света; h – высота наружной вертикальной части про-вода i-го ввода, отсчитываемая от сечения входа данного провода через изолятор в заземленный металлический корпус оборудования.

Излучающие антенны вместе с изолирован-ными частями проводов, расположенных внутри металлического корпуса оборудования, одновре-менно являются резонансными колебательными системами эквивалентных высокочастотных и сверхвысокочастотных генераторов квазигармо-


97


2018 8(1):92–101ISSN Print 2221-2701eISSN 2541-9595


нических колебаний, действующих на частотах, близких к резонансным частотам колебательных систем. При этом добротности колебательных си-стем, расположенных внутри металлического кор-пуса оборудования, могут существенно превосхо-дить добротности излучающих антенн.

В случае необходимости учета присутствия других тел, в том числе земли, можно использо-вать метод зеркальных отображений. При рас-смотрении условий излучения от высоковольт-ных вводов, расположенных на ВВЭО, необходимо учитывать тот факт, что излучение от каждой ан-тенны происходит в присутствии других антенн (высоковольтных вводов). В результате получа-ется антенная система, состоящая из активных и пассивных излучателей.

Результаты расчетов распределения поля, проводимые с помощью различных программ-ных продуктов (MMANA-GAL, ELCUT и др.), удоб-но представлять в виде диаграмм направленно-сти, показывающих распределение излучаемого электромагнитного поля вблизи ВВЭО.

В качестве примера на рис. 3а приведена из-лучающая модель, а на рис. 3б – рассчитанная с ее помощью диаграмма распределения излучаемого электромагнитного поля вблизи силового транс-форматора 110 кВ (красным цветом обозначена вертикальная поляризация, синим – горизон-тальная) на частоте 90 МГц. При этой частоте в пространстве не наблюдается резкого изменения амплитуды поля. Практика показывает, что диа-граммы направленности ВВЭО имеют заметную изрезанность на частотах свыше 200 МГц.

Информацию о характере распределения поля можно использовать при выработке рекомен-даций по выбору места расположения измери-тельной аппаратуры. Таким образом, результаты электромагнитного контроля могут обладать де-

терминированной ценностью при выполнении следующих условий: аппаратура устанавливается в дальней зоне ЭМИ, то есть там, где электромаг-нитная волна является плоской; при ее размеще-нии учтена форма диаграммы направленности и соблюдены условия получения максимума сигна-ла; учтена поляризация излучения; соблюдены условия электробезопасности.

Имеющийся опыт использования электромаг-нитного контроля позволяет отнести его к кате-гории методов, дающих возможность получать информацию о текущем техническом состоянии контролируемого трансформаторного оборудо-вания, регистрировать факт появления дефекта электротермического характера, отслеживать ско-рость его развития. В качестве примера на рис. 4

рис. 3. Излучающая модель силового трансформатора 110 кВ: а) 1 – вводы 110 кВ; 2 – вводы 10 кВ; 3 – ввод нейтрали; б) диаграмма распределения электромагнитного поля

Fig. 3. Radiating model of 110 kV power transformer: a) 1 – bushings of 110 kV; 2 – bushings of 10 kV; 3 – neutral bushing; б) the distribution diagram of the electromagnetic field

а)

2

Y x

3

1

Z

б) 0дб–3дб

–10дб

–20дб–30дб–40дб

x

Y

рис. 4. Пример роста мощности электромагнитного излучения при переходе оборудования

в предаварийное состояниеFig. 4. An example of the increase in the power of electromagnetic radiation during the transition of equipment to the pre-emergency

state

6055504540353025201510

40 60 80 100 120 140 160Частота, МГц

Ампл

итуд

а, дБ

II обследованиеI обследование

98




показан переход ВВЭО из состояния с умеренной дефектностью (красный спектр) в предаварийное состояние (синий спектр).

Информация о дефектах мгновенно отобра-жается в поле собственного ЭМИ трансформа-торного оборудования. Это объясняется тем, что изменение уровня ЭМИ тесно связано с иониза-ционной активностью во внутренней изоляции, повышением локальных температур. Электри-ческие пробои, частичные и ползущие разряды, повышенный нагрев локальных зон, перегрев контактов и т. д. – все эти явления приводят к по-вышению уровней ЭМИ [10]. Информация о воз-никновении дефектов немедленно появляется

в составе импульсов электромагнитного поля, отражается на спектральном составе регистри-руемого ЭМИ. Таким образом, спектры внешнего электромагнитного поля ВВЭО тесно связаны с физико-химическими процессами, протекаю-щими в изоляции, узлах и конструктивных эле-ментах. Тепловое и электрическое разрушения изоляции, нарушение взаимосвязей между мо-лекулами за счет химических процессов сопро-вождаются движением и взаимодействием но-сителей зарядов, возбуждением и излучением электромагнитных колебаний.

Характер и состав ЭМИ ВВЭО отражают осо-бенности его конструкции. На рис. 5 схематиче-

рис. 5. Схематичное устройство силового трехфазного трансформатора: 1 – вводы 110 кВ; 2 – вводы 10 кВ; 3 – ввод нейтрали; 4 – металлический бак трансформатора; 5 – металлический бак регулятора напряжения; 6 – высоковольтные

обмотки S1; 7 – высоковольтные регулировочные обмотки S3; 8 – низковольтные обмотки S2; 9 – регуляторы напряженияFig. 5. Schematic arrangement of a power three-phase transformer: 1 – bushings 110 kV; 2 – bushings 10 kV; 3 – neutral bushing;

4 – the metallic tank of the transformer; 5 – the metal tank of the voltage regulator; 6 – high-voltage windings S1; 7 – high-voltage adjusting windings S3; 8 – low-voltage windings S2; 9 – voltage regulators


99


2018 8(1):92–101ISSN Print 2221-2701eISSN 2541-9595


ски изображено устройство силового трансфор-матора ТДН-10000/110-ХЛ1, установленного на головной нефтеперекачивающей станции № 1 (ГНПС № 1) МН Куюмба–Тайшет. На рис. 6 пред-ставлены фото трансформаторов и аппаратуры для регистрации ЭМИ.

На рис. 7 показан спектр ЭМИ, зарегистриро-ванный вблизи одного из этих трансформаторов. Выделенные частотные диапазоны Δfр110, Δfр10, ΔfрN соответствуют информационным частотным полосам основной (первой) гармоники вводов 110 кВ, 10 кВ и ввода нейтрали соответственно.

рис. 6. Расположение аппаратуры при регистрации электромагнитного излучения Т1 ГНПС № 1 МН Куюмба–ТайшетFig. 6. Location of equipment during registration of electromagnetic radiation T1 HOPS no. 1 of the Kuyumba – Tayshet oil trunk pipeline

рис. 7. Спектр электромагнитного излучения, зарегистрированный вблизи трансформатора Т1 ГНПС № 1 МН Куюмба – ТайшетFig. 7. The spectrum of electromagnetic radiation registered near the transformer T1 HOPS no. 1 of the Kuyumba – Tayshet oil trunk pipeline

–155

–160

–165

–170

–17540 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

f, МГц

γ, дБ

(Вт)

/Гц

Δfp110 ΔfpN Δfp10

100




Их величина определяется как отношение ре-зонансной частоты ввода (fpi)n к его эквивалент-ной добротности Qант.

Характерные всплески и провалы в интенсив-ности ЭМИ присущи данному виду оборудования и позволяют получить информацию для оцен-ки его технического состояния. Сама процедура электромагнитного контроля может выполнять-ся с помощью информационно-измерительных комплексов, состоящих из стандартной измери-тельной аппаратуры (направленной антенны, анализатора спектра и компьютера с программ-ным обеспечением). В качестве направленной ан-тенны можно использовать логопериодическую антенну с шириной диаграммы направленно-сти в 45–60 градусов и равномерной частотной характеристикой. При измерениях аппаратура располагается на таком расстоянии от оборудо-вания подстанции, которое отвечает требовани-ям электробезопасности. Установка антенны на высоте 1,5–2 м над поверхностью земли позво-ляет получить наибольший уровень принима-емых сигналов. Относительная статистическая ошибка измерений спектральных плотностей излучений в исследуемых частотных диапазонах составляет:

где τ – время усреднений;∆f – селективность приемника.

На результаты обследования трансформато-ра электромагнитным методом могут оказывать существенное влияние сторонние источники, располагающиеся на открытых распределитель-ных устройствах. Уменьшить это влияние и обе-спечить селекцию при регистрации спектров по-зволяет использование направленных антенн с узкой диаграммой направленности, а также учет диаграмм направленности сторонних единиц оборудования.

Спектры ЭМИ, зарегистрированные с учетом перечисленных требований, содержат в себе ин-формацию о техническом состоянии ВВЭО. Од-ним из важнейших подходов, характеризующих состояние обследуемого оборудования, является учет пиков ЭМИ, выделяющихся на фоне основ-ного ЭМИ, а именно их количества и интенсив-ности. Другой, более чувствительный к измене-ниям параметр, – коэффициент интегральной мощности, который вычисляется по формуле:Kij = 10lg(Pij /Pjmin),

где Pij – интегральная мощность электромагнит-ного излучения, зарегистрированного вблизи i-го трансформатора в пределах j-й частотной по-лосы на момент очередного обследования; Pjmin – минимальное зарегистрированное вблизи обследуемых трансформаторов значение инте-гральной мощности ЭМИ в пределах j-й частот-ной полосы. Значение интегральной мощности вычисляется по следующей формуле:

где Si – функция плотности мощности излуче-ния i-го трансформатора; fjн и fjк – границы j-й частотной полосы.

Интервальное применение метода электро-магнитного контроля позволяет не только сравнивать спектры ЭМИ, зарегистрирован-ные вблизи однотипного оборудования, но и отслеживать их изменение во времени. Наибо-лее удобно это осуществляется при создании электромагнитных паспортов ВВЭО. В случае упомянутых трансформаторов паспортизация включает в себя фиксацию интенсивностей пи-ков ЭМИ, подсчет количества пиков, превышаю-щих определенный граничный уровень, расчет величины интегральной мощности излучения в пределах нескольких частотных диапазонов, соответствующих всем основным резонансным полосам вводов трансформаторов и наиболее информативным высшим гармоникам. Помимо указанных выше критериев электромагнитные паспорта, формируемые для каждого обследо-вания отдельно, позволяют отслеживать изме-нение интенсивностей отдельных пиков ЭМИ, что способствует повышению точности и каче-ства контроля технического состояния контро-лируемого ВВЭО.

По результатам обследований были сформи-рованы электромагнитные паспорта трансфор-маторов, анализ которых позволил сделать вывод о стабильности электротермических процессов в элементах конструкции, отсутствии фактов появ-ления дефектов. Результаты применения метода электромагнитного контроля ВВЭО на ГНПС № 1 МН Куюмба – Тайшет были представлены на науч-ной конференции Дальневосточного федерально-го университета [11].

1. Возросшие требования к эксплуатационной надежности трансформаторного оборудования способствуют значительному развитию средств и методов диагностики, разработке систем мо-ниторинга, обладающих новыми техническими характеристиками и сопровождаемых регла-ментами внедрения и применения.2. Теоретические и экспериментальные ис-следования по применению метода электромаг-нитного контроля позволяют рекомендовать его для оценки текущего состояния оборудования, осуществляемой без вмешательства в техноло-гический процесс.3. Включение метода электромагнитного кон-троля в систему технического диагностирования ВВЭО в реальном времени позволит выявлять дефекты электрического и термического харак-

Выводы


101


2018 8(1):92–101ISSN Print 2221-2701eISSN 2541-9595


Список литературы1. Современные методы диагностики и оценки техниче- ского состояния электроэнергетического оборудования / А. С. Солодянкин [и др.] // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2015. № 2. С. 70–75.2. Концепция диагностики электротехнического оборудо-вания подстанций и линий электропередачи электрических сетей ОАО «ФСК ЕЭС». М. : 2004. 172 с.3. Результаты длительной периодической диагностики си-ловых трансформаторов / Ю. П. Аксенов [и др.] // Электро. 2006. № 1. С. 28–42.4. Аксенов Ю. П., Завидей В. И., ярошенко И. В. Использова-ние усовершенствованных методов электромагнитной лока-ции разрядных явлений для определения объема ремонта трансформаторов // Электро. 2004. № 5. С. 19–24.5. Кирпанев А. В., Лаврова А. В., Пуханов А. П. Идентифи-кация внешних электромагнитных полей. Известия ЛЭТИ. 1990. Вып. 424. С. 54–58.6. Александров А., Сазонов В. Современные методы диа-гностики. Дистанционная локация мест возникновения дефектов в изоляции высоковольтного оборудования подстанции // Электроэнергия. Передача и распределение. 2016. Специальный выпуск № 1. С. 34–37.7. Киншт Н. В., Кац М. А. Диагностика точечных источников элек-тромагнитных шумов // Электричество, 1999. № 4. С. 40–42.8. Теоретические основы электротехники : В 3-х т. / К. С. Демирчян [и др.] СПб. : Питер, 2003. Т. 3. 377 с.9. Stratton J. A. Electromagnetic Theory. New York : McGraw-Hill Book Company, 1941.10. Силин Н. В. Оценка технического состояния электро-энергетического оборудования по спектральным характе-ристикам излучаемого электромагнитного поля // Изве-стия Российской академии наук. Энергетика. 2008. № 3. С. 86–91.11. Павленко С. В., Игнатьев Н. И., Силин Н. В. Опыт при-менения электромагнитного контроля для технического диагностирования электроэнергетического оборудования ООО «ТранснефтьЭлектросетьСервис» (ООО «ТЭС») / Мате-риалы научной конференции «Современные технологии и развитие политехнического образования», Владивосток, 19–23 сентября 2016 г. Владивосток : Дальневосточный федеральный университет, 2016. С. 360–361.

References[1] Solodyankin A. S., Nazarov A. A., Kolesnikov A. A., Yanovich I. M., Grisha B.G. Modern methods of diagnostics and technical state assessment of the high-voltage electric power equipment. Naukatekhnol. truboprov. transp. neftiinefteprod. = Science & Technologies: Oil and Oil Products Pipeline Transportation. 2015;(2):70–75. (In Russ.) [2] The concept of diagnostics of electrical equipment of substations and transmission lines of electric grids of JSC FGC UES. Мoscow, 2004. 172 p. (In Russ.)[3] Aksenov Y. P., Golubev A. V., Zavidey V. I., Yurin A. V., Yaro- shenko I. V. Results of long-term periodic diagnostics of power transformers. Electro. 2006;(1):28–35. (In Russ.)

[4] Aksenov Y. P., Zavidey V. I., Yaroshenko I. V. Use of improved methods for electromagnetic phenomena bit locations to determine the amount of repair transformers. Elektro. 2004;(5): 19–24. (In Russ.)[5] Kirpanyov A. V., Lavrova A. V., Pukhanov A. P. Identification of external electromagnetic fields. Izvestiya LETI. 1990. Iss. 424. P. 54–58. (In Russ.)[6] Alexandrov A., Sazonov V. Modern diagnostic methods. Re-mote location of defects in isolation of high-voltage substation equipment // Electric power. Transmission and distribution. 2016. Special issue no. 1. P. 34–37. (In Russ.)[7] Kinsht N. V., Katz M. A. Diagnostic of the point noise sources. Electrichestvo. 1999;(4):40–42. (In Russ.)[8] Demirchan K. S., Neiman L. R., Korovkin N. V., Chechurin. V. L. Theoretical foundations of electrical engineering: in 3 Vol. Saint Petersburg: Piter Publ.; 2003. Vol. 3. 377 p. (In Russ.)[9] Stratton J. A. Electromagnetic Theory. New York: McGraw-Hill Book Co.; 1941.[10] Silin N. V. Assessment of the technical condition of electric power equipment based on the spectral characteristics of the emitted electromagnetic field. Proceedings of the Russian Acad-emy of Sciences. Power Engineering. 2008;(3):86–91. (In Russ.)[11] Pavlenko S. V. Experience of application of electromagnetic control for technical diagnostics of electric power equipment “Transneft Electric Network Service“, LLC. Proceedings of the Int. Sci. Conf. “Modern technologies and the development of polytech-nic education”, Vladivostok, 14–18 September 2015. Vladivo-stok: Far Eastern Federal University; 2016. P. 360–361. (In Russ.)

Статья получена редакцией 24.11.2017, принята к опубликованию 15.01.2018

Received November 24, 2017; in final form, January 15, 2018

Cведения об авторах | Author credentials

С. В. Павленко, д. т. н, замести-тель начальника управления диагно-стики ООО «ТЭС», Москва, Россия Sergey V. Pavlenko, Dr. Sci. (Eng.), De-puty Head of Diagnostics Department, Transneft Electric Network Service, LLC, Moscow, Russian Federation [email protected] н. В. Силин, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой электроэнер-гетики и электротехники, Дальнево-сточный федеральный университет, Владивосток, Россия Nikolay V. Silin, Dr. Sci. (Eng.), Profes-sor, Head of the Department of Electric Power Engineering and Electrical Engi-neering, Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russian Federation [email protected] н. И. Игнатьев, аспирант, ассистент, инженер кафедры электроэнергетики и электротехники, Дальневосточный федеральный уни-верситет, Владивосток, Россия Nikolay I. Ignatiev, post-graduate student, assistant, engineer of the De-partment of Electric Power Engineering and Electrical Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russian [email protected]

тера на ранней стадии их появления и развития и минимизировать участие человека в этом процессе.4. Опыт электромагнитного контроля трансфор-маторного оборудования Т1, Т2, установленного на ГНПС № 1 МН Куюмба – Тайшет, показал эффективность формирования и использования электромагнитных паспортов для отслеживания изменений в его техническом состоянии.

удк 537.872 Применение прогрессивных методов диагностики...

Documents