МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

DIAGNOSTICS METHODS OF POWER ELECTRICAL EQUIPMENT OF TRANSFORMER SUBSTATIONS

Vladislav Velichko

master, Department of Electric and Thermal Power Engineering, Orenburg State University,

Russia, Orenburg

Anastasia Chernova

Ph.D. tech. Sciences, Assoc., Orenburg State University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

В статье представлена информация о наиболее распространенных методах технической диагностики силового электрооборудования подстанций. Рассмотрены особенности метода измерения электрических величин, диагностики масла, теплового контроля, метода частичных разрядов, вибродиагностики.

ABSTRACT

The article provides information on the most common methods of technical diagnostics of power electrical equipment of substations. The features of the method for measuring electrical quantities, oil diagnostics, thermal control, the method of partial discharges, vibration diagnostics are considered.

Ключевые слова: диагностика, электроустановка, ИК-контроль, трансформаторное масло, частичные разряды, вибродиагностика.

Keywords: diagnostics, electrical installation, IR-control, transformer oil, partial discharges, vibration diagnostics.

Среди множества технических устройств силовое электрооборудование подстанций занимает особое место. Электроустановки высокого напряжения на протяжении всего срока службы подвержены влиянию сильных электрических и магнитных полей. Риск повреждения электроустановок в процессе эксплуатации требует контроля их состояния – системы диагностики, позволяющей обнаруживать дефекты с целью предотвращения их дальнейшего развития. Техническая диагностика позволяет решать ряд задач, связанных с определением текущего состояния электроустановок, классификацией дефектов и определения опасности их дальнейшего развития, а также прогнозирования остаточного срока службы узлов электрооборудования.

Цель технической диагностики заключается в оценке состояния технической системы в условиях ограниченной информации, и как следствие, повышения надежности и остаточного ресурса оборудования [1, с. 5].

Выбор вида технической диагностики зависит от следующих критериев:

1) назначение электроустановки;

2) сложность исследуемой системы (наличие большого числа контролируемых параметров);

3) экономическая целесообразность;

4) вероятность развития аварии;

5) последствия отказа электроустановки.

Методы диагностики можно классифицировать по признаку воздействия на объект исследования. Различают методы неразрушающего (МНК) и разрушающего контроля (МРК).

В зависимости от физических закономерностей, на которых основан тот или иной метод, МНК можно классифицировать следующим образом в соответствии с ГОСТ 18353–79:

1) магнитный;

2) электрический;

3) вихретоковый;

4) радиоволновой;

5) тепловой;

6) оптический;

7) радиационный;

8) акустический;

9) проникающими веществами (капиллярный и течеискания).

В настоящее время наиболее широкое распространение для целей диагностики силового электрооборудования подстанций (ПС) получила лишь часть методов неразрушающего контроля.

На основании анализа патентной документации и научной литературы установлено, что наиболее часто используются следующие методы неразрушающего контроля [2, c. 18]:

1) измерение электрических величин;

2) диагностика масла;

3) тепловой контроль;

4) метод частичных разрядов;

5) вибродиагностика.

Ниже приведена характеристика каждого из выделенных методов диагностики электроустановок подстанций.

Электрические методы контроля основаны на создании в контролируемом объекте электрического поля или на непосредственном воздействии на него электрическим током (постоянным или переменным). В качестве информативного параметра используются электрические характеристики объекта контроля [1, с. 9].

На сегодняшний день используются следующие виды электрических МНК:

1) измерение тока и потерь холостого хода;

2) анализ частотных характеристик;

3) измерение коэффициента трансформации;

4) измерение коэффициента мощности и тангенса угла диэлектрических потерь;

5) измерение сопротивления обмоток постоянному току.

К достоинствам вышеперечисленных методов электрического неразрушающего контроля можно отнести:

1) сравнительно высокая точность измерения величин;

2) информативность электрических характеристик;

3) возможность выявления дефектов на ранней стадии развития.

Недостатки электрических МНК:

1) необходимость отключения силового электрооборудования от сети;

2) невозможность оперативной диагностики состояния энергообъектов вследствие требований регламента технического обслуживания.

Маслонаполненное оборудование сегодня имеет значительное распространение на трансформаторных подстанциях всех классов напряжения. Силовые трансформаторы и выключатели, измерительные трансформаторы тока и напряжения, высоковольтные вводы – все эти электроустановки используют трансформаторное масло в качестве изолирующей, дугогасящей и охлаждающей среды.

Под воздействием электромагнитного поля в результате длительной эксплуатации химические и электрофизические свойства масла значительно изменяются. Эти обстоятельства приводят к снижению изоляционных свойств масла, а также его объема. За состоянием масла необходим регулярный контроль. От правильности и своевременности диагностики масла зависит надежность работы оборудования и безопасность персонала.

Различают четыре вида анализа трансформаторного масла:

1) анализ электрической прочности;

2) хроматографический анализ;

3) анализ диэлектрических характеристик;

4) анализ влагосодержания.

Диагностика масла используется для регулярной оценки состояния электроустановок. Она позволяет выявлять дефекты на ранней стадии развития и классифицировать тип неисправности.

Однако диагностика трансформаторного масла не позволяет оперативно выявлять дефект, ведь для того, чтобы произвести исследование, необходимо отвезти отобранные пробы в лабораторию.

В целях оперативной диагностики используются датчики содержания газов и влаги в масле. Они входят в состав дорогостоящих систем, требующих дополнительного специализированного оборудования и применяющихся ограниченно.

Тепловые МНК основаны на измерении и анализе температуры контролируемых объектов. Необходимое условие применения тепловых методов – наличие тепловых потоков в диагностируемом объекте.

Температура – универсальный показатель состояния электрооборудования. Изменение режима работы электроустановки приводит к изменению температуры, которая может указывать на неисправное состояние.

Измерение температуры может производиться контактными и бесконтактными методами.

Контактная тепловая диагностика требует установки датчиков непосредственно на корпусе электроустановок. В число используемых приборов входят термометры, основанные на температурной зависимости термо-ЭДС, а также термометры, основанные на температурной зависимости электрического сопротивления вещества.

Бесконтактная тепловая диагностика использует инфракрасное излучение в качестве источника информации. Полученная тепловая картина позволяет дать оценку технического состояния исследуемого объекта.

Инфракрасная диагностика является одним из наиболее перспективных и эффективных направлений развития в диагностике силового электрооборудования. К отличительным особенностям тепловизионной диагностики относительно традиционных методов можно отнести:

1) достоверность и точность получаемых сведений;

2) безопасность персонала при проведении исследования;

3) электроустановки остаются в работе;

4) не требуется подготовка рабочего места;

5) большой объем выполняемых работ в единицу времени;

6) диагностика большинства типов электроустановок подстанций;

7) малые трудозатраты на производство измерений на единицу оборудования;

8) возможность определения дефектов на ранней стадии развития.

В качестве недостатков инфракрасной диагностики можно отметить следующее:

1) влияние факторов внешней среды на результат исследования;

2) необходимость затрат времени на обработку тепловизионных изображений для уточнения результатов;

3) связь квалификации и состояния оператора с достоверностью получаемых сведений.

Согласно ГОСТ 20074–83, частичным разрядом (ЧР) называется локальный электрический разряд, который шунтирует только часть изоляции в электроизоляционной системе.

Частичные разряды возникают вследствие локальной концентрации электрической напряженности в изоляции или на ее поверхности, превышающей электрическую прочность изоляции.

Как известно, одно из основных требований безопасности в электроустановках – исключение контакта человека с токоведущими частями. Измерение частичных разрядов позволяет исследовать состояние изоляции электроустановки и сделать вывод о возможности ее дальнейшей эксплуатации.

Выделяют следующие способы измерения и контроля частичных разрядов [2, с. 20]:

1) оптические измерения;

2) акустические измерения,

3) радиоволновые измерения;

4) электрические измерения.

К преимуществам метода частичных разрядов можно отнести:

1) возможность обнаружения ЧР и их локализации на ранних стадиях зарождения;

2) оценка свойств развивающегося дефекта;

3) исследование оборудования под напряжением.

Недостатки метода частичных разрядов:

1) низкая помехозащищенность может стать причиной значительной погрешности измерений;

2) высокая стоимость оборудования для регистрации ЧР;

3) необходимость применения нескольких различных типов датчиков ЧР для эффективной диагностики электроустановок.

Вибрация – механические колебания тела около положения равновесия. В электроустановках действуют динамические силы, которые приводят не только к шуму и вибрациям, но и к возникновению дефектов, которые изменяют свойства сил и характеристики шума и вибраций. Последние содержат в себе информацию о динамических силах, однако в процессе преобразования динамических сил в вибрацию или шум часть информации теряется.

Вибрационная диагностика активной части силового трансформатора включает в себя следующие разновидности:

1) измерение амплитуды вибрации на стенке бака трансформатора;

2) анализ спектра вибрации;

3) частотный способ контроля уровня прессовки обмоток.

Достоинства вибрационной диагностики силового электрооборудования:

1) определение скрытых дефектов без разборки электроустановки;

2) обнаружение дефектов на раннем этапе развития.

Недостатки метода вибрационной диагностики включают:

1) повышенные требования к способу установки датчика вибрации;

2) параметры вибрационного сигнала зависят от большого числа сторонних источников вибрации;

3) сложность выявления истинного дефектного сигнала;

4) низкая точность вибрационной диагностики;

5) отсутствие нормативной базы, имеются лишь методические рекомендации.

Проведенный анализ научно-технической литературы (НТЛ) в области методов диагностики силовых электроустановок трансформаторных подстанций позволил условно разделить опубликованные материалы на 5 групп, достоинства и недостатки которых представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Достоинства и недостатки методов диагностики электроустановок ПС

В результате изучения НТЛ выявлены особенности каждого из методов, которые позволили дать оценку возможности оперативного обнаружения дефектов и прогнозирования перехода оборудования в предаварийное состояние. Наиболее перспективным методом диагностики силового оборудования подстанций выглядит инфракрасная термография – главным недостатком которой является недостаточная полнота методик для оперативной оценки ситуации и принятия решения о состоянии электроустановки.

Список литературы:

1. Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций : учебное пособие / А. И. Хальясмаа [и др.]. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2015. — 64 с. ISBN 978-5-7996-1493-5
2. Развитие методов и устройств диагностики силового электрооборудования трансформаторных подстанций / А. П. Хлебцов, Л. Х. Зайнутдинова, А. Н. Шилин – Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 16, 2020 ISSN: 1999-5458