Совершенствование метода оценки состояния обмоток силовых трансформаторов на основе их частотных характеристик

На правах рукописи

ИЛЬДАРХАНОВ РАИЛЬ ГУСМАНОВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ОСНОВЕ ИХ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» доктор физико-математических наук, профессор

Научный консультант:

Усачёв Александр Евгеньевич доктор технических наук, профессор Официальные Идиятуллин Ринат Гайсович, оппоненты:

кандидат технических наук, Тюрин Александр Николаевич ОАО «Сетевая компания» (г. Казань)

Ведущая организация:

Защита состоится « 24 » июня 2011 г. в 14:00 часов в аудитории Д-223 на заседании диссертационного совета Д 212.082.04 при Казанском госу дарственном энергетическом университете по адресу:

420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью учреж дения) направлять по адресу: 420066, г. Казань – 66, Красносельская ул., 51, Ученый Совет КГЭУ. Телефон: (843) 5194202;

факс: (843) 5624325, 5184464.

E-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ГОУ ВПО КГЭУ www.kgeu.ru.

Автореферат разослан « 23 » мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.082. кандидат педагогических наук, профессор Лопухова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Обеспечение надёжности электроснабжения потребителей, устойчивости работы электрических систем является приоритетной и актуальной проблемой электроэнергетики. Надёжная работа энергосистем неразрывно связана с надеж ностью силовых трансформаторов (СТ). Около 30% аварийных ситуаций с СТ связаны с разрушениями изоляции обмоток, возникающих, как правило, вслед ствие изменения их геометрии или межвитковых замыканий. Выявление дефор маций обмоток на раннем этапе их развития позволит своевременно провести плановые ремонтно-восстановительные работы без развития системных аварий.

Совершенствование существующих и разработка новых диагностических мето дов, позволяющих более точно и на более ранних этапах развития дефектов СТ определять их присутствие и степень развития в работающем СТ, является акту альной задачей.

Одним из признанных и эффективных методов контроля состояния СТ яв ляется метод частотного анализа (МЧА). Этот метод высокочувствителен ко всем видам деформаций обмоток. Вместе с тем, в настоящее время с помощью МЧА невозможно определить тип повреждения обмотки СТ (витковое замыка ние, деформация обмотки и т.п.), место его локализации в обмотке и степень развития. Характеристики СТ, получаемые с помощью МЧА, неудобны для хра нения и обработки, поскольку представляют собой неструктурированный дву мерный массив данных, что сильно затрудняет паспортизацию СТ. Кроме того, анализ состояния СТ производится по графическому представлению вышеука занных массивов данных в несколько этапов с использованием методов корре ляционного анализа и математической статистики, что требует высокой квали фикации персонала, выдающего заключение о состоянии обмоток СТ.

Данная диссертационная работа посвящена экспериментальному исследо ванию СТ с дефектами обмоток и без них методом частотного анализа, модели рованию дефектов обмотки СТ, оценке их влияния на частотные характеристики (ЧХ) обмоток и является актуальной.

Цель диссертационного исследования состоит в совершенствовании ме тода оценки состояния обмоток силовых трансформаторов на основе их частот ных характеристик. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

исследовать частотные характеристики обмоток реальных СТ с дефектами и без них;

установить связь между изменениями частотных характеристик СТ в МЧА и типом дефекта, а также его локализацией и степенью развития;

построить модель обмотки СТ и исследовать её частотные характеристики;

разработать способ, позволяющий паспортизировать результаты диагно стических испытаний СТ методом частотного анализа без потери их информа тивности и повысить их результативность.

Методы исследования определялись характером каждой из поставленных задач и опирались на теорию электрических цепей, методы математического мо делирования обмоток СТ, теорию вероятностей и спектральный анализ.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и реко мендаций диссертации определяется корректным применением надежных со временных методов оценки состояния обмоток СТ, использованием при экспе риментах поверенных приборов и откалиброванных диагностических комплек сов, обработкой данных с помощью общепринятых математических процедур и современных программных комплексов, воспроизводимостью результатов изме рений, совпадением экспериментальных и теоретических значений экстремумов частотных характеристик СТ.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

установлены характерные изменения передаточных функций (ПФ) на примере трансформатора марки ТМ-160/10 при витковых замыканиях и ради альной деформации в виде «полегания» витков обмотки ВН, а также выявлены факторы, влияющие на форму частотных характеристик обмоток;

разработан алгоритм построения модели обмотки СТ, основанный на по шаговом подборе значений элементов схемы замещения с применением прямого моделирования методом Монте-Карло для каждого элемента схемы замещения;

построена модель обмотки НН трансформатора марки ТРДН-25000/110 с учётом её реальной структуры, позволяющая установить соответствие элементов модели отдельным частям обмотки СТ и влияние изменения параметров модели на её ПФ;

построены оценочные диаграммы, раскрывающие зависимость относи тельного изменения частот резонансов ПФ модели обмотки НН трансформатора марки ТРДН-25000/110 от типа дефекта, степени его развития и локализации;

разработана методика диагностирования дефектов обмотки НН трансфор матора марки ТРДН-25000/110, позволяющая определять тип дефекта, его лока лизацию и степень развития и повышающая информативность метода частотно го анализа;

предложен способ, позволяющий паспортизировать результаты измерений методом частотного анализа и упростить их интерпретацию, основанный на спектральном анализе ПФ и замене квазинепрерывных ЧХ силового трансфор матора дискретным набором резонансных частот (гаусс-портретом).

Практическая ценность работы определяется совершенствованием мето да оценки состояния обмоток СТ, путём развития и углубления МЧА, получени ем возможности паспортизировать результаты измерений, а также упрощением их интерпретации. Внедрение результатов настоящей работы в практику диагно стики трансформаторов позволит повысить информативность МЧА и более точ но оценивать состояние обмоток СТ.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

результаты экспериментальных исследований, проведённых автором на более чем ста СТ, находящихся в эксплуатации;

выявленные факторы, влияю щие на форму частотных характеристик обмоток, а также набор изменений пе редаточных функций на примере трансформатора марки ТМ-160/10, полученных экспериментально и характерных для витковых замыканий и радиальной дефор мации в виде «полегания» витков обмотки ВН;

алгоритм построения модели обмотки силового трансформатора, основан ный на пошаговом подборе значений элементов схемы замещения;

модель обмотки НН силового трансформатора марки ТРДН-25000/110 и результаты моделирования: соответствие элементов модели отдельным частям обмотки СТ, влияние изменения параметров модели на её ПФ, перечень воз можных дефектов обмоток СТ и изменения элементов модели, к которым они приводят;

оценка положения резонансных частот ПФ модели обмотки НН силового трансформатора марки ТРДН-25000/110 в зависимости от типа дефекта, степени его развития и локализации;

методика диагностирования дефектов обмотки НН трансформатора ТРДН 25000/110, позволяющая определять тип дефекта, его локализацию и степень развития и повышающая информативность метода частотного анализа;

способ, позволяющий паспортизировать результаты измерений методом частотного анализа и упростить их интерпретацию.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсу ждались на XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006), Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» (Томск, 2006), III Молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Энергети ка-2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008), Открытой молодеж ной научно-практической конференции предприятий энергетического кластера Республики Татарстан (Казань, 2008), Международном производственно техническом семинаре на тему «Диагностика, испытание, эксплуатация, ремонт и модернизация энергетического оборудования» (Алма-Ата, 2010).

Личный вклад соискателя. Автором были выполнены: эксперименталь ные исследования МЧА;

разработка алгоритма и построение теоретической мо дели, а также исследование её характеристик;

сравнение и анализ полученных данных;

представление результатов исследований в виде публикаций и диссер тации.

Публикации: основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, из них 3 статьи в журналах перечня ВАК, а также 1 патент на способ.

Структура работы: диссертация состоит из введения, трех глав, заключе ния, списка цитируемой литературы и приложения. Общий объем диссертации 175 страниц, в том числе 114 рисунков и список литературы из 124 наименова ний.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе диссертации содержится общий обзор литературы, по священной исследованию МЧА, рассматриваются применяемые на сегодняшний день методы контроля состояния обмоток СТ, подробно описывается МЧА, схе мы измерения по этому методу и процедура обработки результатов измерений.

Во второй главе диссертации приводятся ЧХ обмоток СТ, полученные экспериментально, а также предлагается способ, позволяющий паспортизиро вать результаты измерений МЧА и упростить их интерпретацию, основанный на спектральном анализе ПФ и замене непрерывных ЧХ силового трансформатора дискретным набором резонансных частот – гаусс-портретом. Приведены ЧХ силовых трансформаторов, в том числе шести автотрансформаторов.

В третьей главе диссертации построена теоретическая модель обмотки НН трансформатора марки ТРДН-25000/110, выполняемая в виде непрерывной катушечной. Выбор данной обмотки обусловлен тем, что катушечные обмотки являются одними из наиболее распространённых в отечественных СТ. Кроме то го, обмотки НН конструктивно проще, по сравнению с обмотками ВН. Помимо катушечных в трансформаторостроении широко применяются винтовые, полно стью или частично переплетённые обмотки и обмотки с холостыми витками.

Конструкции данных типов обмоток имеют существенные отличия и заслужи вают отдельного изучения, поэтому в данной работе рассматриваются только обмотки катушечного типа. Разработан алгоритм построения модели обмотки СТ, основанный на пошаговом подборе значений элементов схемы замещения (СЗ). В рамках модели составлена таблица соответствия типов дефектов обмоток и изменений элементов модели, а также таблица, раскрывающая влияние каждо го элемента модели на её ПФ;

построены оценочные диаграммы, раскрывающие зависимость величины относительного изменения частот резонансов ПФ от сте пени развития дефекта;

описана методика диагностирования дефектов обмотки, проведён анализ полученных результатов.

В приложении приводятся расчёт геометрических изменений катушек при скручивании обмотки, графики зависимости изменения значения элементов СЗ от степени деформации, а также оценочные диаграммы, раскрывающие зависи мость относительного изменения частот резонансов ПФ от степени развития де фекта.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Результаты экспериментальных исследований, проведённых авто ром на более чем ста СТ, находящихся в эксплуатации;

выявленные фак торы, влияющие на форму частотных характеристик обмоток, а также на бор изменений передаточных функций на примере трансформатора марки ТМ-160/10, полученных экспериментально и характерных для витковых замыканий и радиальной деформации в виде «полегания» витков обмотки ВН.

В ходе экспериментов было обследовано более ста СТ разных марок и уровней мощности. По итогам сравнительного анализа результатов измерений были выявлены основные факторы, влияющие на форму ЧХ обмоток СТ, а именно: 1) конструкция обмоток СТ, 2) завод-изготовитель, 3) история эксплуа тации СТ.

Было установлено, что ЧХ трансформаторов одной марки, но разных заво дов-изготовителей различаются существенным образом. Такое различие объяс няется тем, что изготовители применяют разные технологии изготовления обмо ток. Из проведённого в главе 2 сравнительного анализа ЧХ исследованных СТ был сделан вывод, что однотипные СТ различной мощности одного и того же завода-изготовителя часто имеют более близкие ЧХ, по сравнению с СТ одина ковой мощности, но изготовленных на разных заводах.

Конструкция обмотки определяет распределение частичных емкостей, ин дуктивностей и сопротивлений, что сказывается на форме ЧХ. Схожесть формы ЧХ обмоток одинаковой конструкции позволяет предположить аналогичность зависимости изменения частот резонансов от типа дефекта, степени его развития и локализации, выявленные для какого-либо одного СТ определённой марки, на всю линейку мощностей трансформаторов данной марки. В качестве иллюстрации приведены ПФ обмоток ВН автотрансформаторов производства ЗТЗ (рис. 1). Основным критерием, устанавливающим сходство ЧХ, является ко личество резонансов в заданном диапазоне частот.

В ходе эксперимен тальных исследова ний было установле но влияние витковых замыканий, а также радиальной деформа ции в виде «полега ния» витков обмотки ВН на ПФ обмоток СТ марки ТМ-160/10.

Для всех ПФ обмоток ВН, полученных при витковом замыкании, характерно увеличе ние частоты резонан са f1 = 0,659 МГц и Рис. 1. ПФ обмоток ВН автотрансформаторов f2 = 0,732 МГц, уве АОДЦТН-167000/500/220 ЗТЗ.

личение амплитуды а – зав.№78007 1970г.в., б – зав.№78006 1970г.в., резонанса f2, а также в – зав.№97 1997г.в., г – спектр ЗИ увеличение амплиту (амплитуда уменьшена в 30 раз).

ды антирезонанса f3 = 1 МГц. При «полегании» витков обмотки по всей высоте для ПФ обмоток ВН СТ марки ТМ-160/10 наблюдается последовательное уменьшение частот всех резонансов при увеличении величины деформации. Повторение наборов изменений ПФ для нескольких СТ, а также последовательного увеличения сте пени развития дефекта говорит о том, что обнаруженные изменения ПФ являют ся характерными для указанных видов дефектов.

2. Алгоритм построения модели обмотки силового трансформатора, основанный на пошаговом подборе значений элементов схемы замещения.

Для построения модели необходимо иметь следующие исходные данные:

- паспортные данные СТ, чертежи моделируемой обмотки, данные о её конструкции, структуре и количестве витков;

- экспериментальная ПФ моделируемой обмотки;

- результаты измерений омического сопротивления моделируемой обмот ки постоянному току.

Алгоритм построения модели обмотки СТ основан на разработке упро щённой СЗ в программной среде Multisim с учётом конструкции и структуры моделируемой обмотки;

определении характера и степени влияния каждого эле мента схемы на её ПФ, путём применения прямого моделирования методом Монте-Карло для каждого элемента СЗ, когда значения исследуемого элемента изменяются в заданном диапазоне, а все остальные элементы схемы имеют фик сированное значение;

а также пошаговом подборе значений элементов СЗ.

Разработанный алгоритм является универсальным для построения моделей обмоток СТ различных типов и размеров. Модель обмотки, построенная по дан ному алгоритму, позволяет установить соответствие элементов модели отдель ным частям обмотки СТ и влияние изменения параметров модели на её ПФ.

3. Модель обмотки НН СТ марки ТРДН-25000/110 и результаты моде лирования: соответствие элементов модели отдельным частям обмотки СТ, влияние изменения параметров модели на её ПФ, перечень возможных де фектов обмоток СТ и изменения элементов модели, к которым они приво дят.

Моделирование обмотки производилось в программной среде Multisim, предназначенной для построения и исследования электрических схем. За основу СЗ обмотки взята цепная схема, широко рас пространённая в теории электрических цепей и технике высоких напряжений для расчёта об моток электрических машин при высокой час тоте. Расчёт значений элементов СЗ, а также выбор её топологии произведён с учётом ре альной структуры обмотки и её гео метрических размеров. При этом единичный Рис. 2. Схема замещения элемент обмотки замещается схемой, показан единичного элемента обмотки. ной на рис. 2, где R – омическое сопротивле ние, L – полная индуктивность, Cs – продоль ная (межкатушечная) емкость, Cg – емкость на землю. Неучёт влияния соседних обмоток теоретически и экспериментально обоснован в главе 3. В работе пока зано, что за единичный элемент СЗ можно принять группу катушек обмотки, имеющих одинаковое количество витков и разделенных одинаковыми межкату шечными каналами. Кроме того, в схеме учтены контуры, замещающие отводы начала и конца обмотки, а также участки провода между катушками. Итоговая СЗ показана на рис. 3.

Нахождение значений элементов СЗ по заданной ПФ очень сложно вы полнить аналитически, поэтому целесообразнее найти значения элементов путем подбора, сравнивая экспериментальную ПФ обмотки с ПФ исследуемой СЗ. Это позволяет также выяснить степень и характер влияния каждого элемента схемы на её ПФ.

Рис. 3. Схема замещения обмотки НН.

Для подбора значений была построена таблица 1, где в каждой ячейке ука зывались степень и характер влияния соответствующего элемента на ПФ (ам плитуду и частоту какого-либо резонанса), определяемые путем применения прямого моделирования методом Монте-Карло для каждого элемента схемы.

Таблица подбора значений элементов схемы по рис.3 (фрагмент) Таблица Условные обозначения, принятые в таблице 1: а – слабое влияние на ам плитуду;

А – умеренное влияние на амплитуду;

АА – сильное влияние на ампли туду;

О – слабое влияние на частоту (f 2 кГц);

Ч – умеренное влияние на час тоту (2 f 5 кГц);

ЧЧ – сильное влияние на частоту (f 5 кГц).

Значения f определялись в ходе исследования теоретической модели об мотки СТ. Табл. 1 состоит из строки с номерами резонансов, указанными на рис. 4, верхней и нижней части. В столбцах верхней части расположены элемен ты Csi и Ri, в столбцах нижней – элементы Li и Cgi, где i – номера элементов, расположенные в левом столбце таблицы. Для определения набора элементов, влияющих на тот или иной резонанс, необходимо выбрать столбцы Csi, Ri, Li и Cgi, соответствующие искомому резонансу, и найти заполненные ячейки. Заго ловок столбца укажет тип элемента, заголовок строки – номер элемента данного типа (левый столбец с номерами таблицы), содержание ячейки отображает ха рактер и степень влияния данного элемента на выбранный резонанс исследуемой ПФ.

Передаточная функция СТ, полученная в ходе экпериментальных измере ний, интерполирована кубическими сплайнами для того, чтобы количество то чек экспериментальной кривой и кривых, полученных при моделировании, было одинаковым. Передаточная функция СЗ состоит из резонансов, обладающих сравнительно малой полной шириной на половине высоты (ПШПВ), следова тельно, контур схемы, соответствующий данному резонансу, обладает сравни тельно высокой добротностью. Это объясняется малым сопротивлением обмот ки НН. В то же время резонансы экспериментальной кривой (рис. 4) обладают большей ПШПВ, что говорит о том, что они состоят из нескольких близко рас положенных частотных составляющих. Данный факт обусловлен тем, что про вод обмотки состоит из восьми параллельных проводников, изолированных друг от друга. Исходя из вышесказанного, следует расщепить контуры, соответству ющие обмотке СТ на восемь парал лельных контуров для увеличения ко личества близко расположенных ре зонансов и срав нить результаты моделирования.

Однако данная процедура приве дёт к увеличению количества резо нансов, что сильно усложняет анализ кривой ПФ. Для Рис. 4. Сравнение экспериментальной и теоретических ПФ. упрощения данной а – экспериментальная кривая, б – ПФ схемы замещения задачи контуры (частотный подход), №№2, 3, 4, 5, в – ПФ схемы замещения (импульсный подход), расщеплены на два г – спектр ЗИ (амплитуда увеличена в 25 раз). параллельных кон тура (рис. 3). Изучив соотношения сопротивлений различных контуров схемы, можно установить соответствие контуров СЗ с отдельными частями обмотки:

- контуры 1 и 7 эквивалентны отводам начала и конца обмотки соответственно;

- контур 2 – группе элементов типа 1 (2 катушки D);

- контур 3 – группе элементов типа 4 (34 катушки Е, с каналами по 4 мм);

- контур 4 – группе элементов типа 2 (2 катушки С);

- контур 5 – группе элементов типа 3 (6 катушек Е, с каналами по 6 мм);

- контур 6 соответствует участкам провода между катушками обмотки.

На основе расчёта изменений значений элементов СЗ в зависимости от из менения геометрических параметров обмотки установлена зависимость между относительным изменением частот резонансов ПФ и типом дефекта, а также степенью его развития и локализацией в обмотке.

По итогам расчёта изменений элементов СЗ построены графики, отра жающие относительное изменение значения того или иного элемента в зависи мости от степени деформации для каждого вида дефекта. Результаты сведены в таблицу, устанавливающую соответствие между типом дефекта, его локализаци ей и значениями изменений элементов СЗ.

4. Оценка положения резонансных частот ПФ модели обмотки НН си лового трансформатора марки ТРДН-25000/110 в зависимости от типа де фекта, степени его развития и локализации.

Для выявления зависимости изменения частот резонансов ПФ от степени развития дефекта, рассчитанные значения L, Cg и Cs были подставлены в исход ную СЗ, получены соответствующие ПФ и рассчитаны величины относительно го изменения частоты каждого резонанса по формуле:

f i д fi и f i = 100% (1) fi и где if – относительное изменение частоты i-го резонанса, %;

fi д – частота i-го резонанса при дефекте обмотки, Гц;

fi и – исходная частота i-го резонанса (без дефектов), Гц;

Используя полученные значения, построены оценочные диаграммы изме нения частот резонансов ПФ для каждого вида дефекта. Для построения диа грамм использовались значения параметров схемы для наименьшего масштаба развития дефекта (5,56% длины окружности обмотки). Случаи комбинирования дефектов требуют отдельного изучения и в данной работе не рассматриваются.

В модели обмотки НН принято допущение о независимости относитель ной диэлектрической и магнитной проницаемости от частоты. Правомерность такого допущения подтверждается на основании литературных данных. Зависи мость диэлектрической проницаемости изоляции от температуры учтена в мето дике диагностирования дефектов обмотки. В работе рассмотрено проявление волновых свойств обмотки на высоких частотах, а также изменения активных сопротивлений при частотах выше 10 кГц с применением упрощённой формулы Роговского.

5. Методика диагностирования дефектов обмотки НН трансформато ра ТРДН-25000/110, позволяющая определять тип дефекта, его локализа цию и степень развития и повышающая информативность МЧА.

Для определения наличия дефекта обмотки, а также его типа, локализации и степени развития необходимо в качестве исходных данных иметь две ПФ – первичную и текущую. При этом измерения ПФ должны производиться на пред варительно размагниченном СТ, а также при одинаковой температуре масла, оп ределяемой по термосигнализатору, установленному на баке СТ. Методика ди агностирования дефектов обмотки выглядит следующим образом:

1. Определение частот резонансов первичной и текущей ПФ, путём при менения второй производной и гаусс-портретов;

2. Определение номеров резонансов, частоты которых изменились при по вторном измерении;

3. Определение по номерам резонансов вариантов локализации и типа де фекта в обмотке;

f 4. Вычисление относительного изменения частот i всех резонансов по формуле (1);

5. Соотнесение вариантов локализации и типа дефекта в обмотке со значе f ниями i всех резонансов и выбор типа и локализации дефекта, пользуясь оце ночными диаграммами изменения частот резонансов ПФ;

f 6. Определение степени развития дефекта по значениям i.

7. Выдача рекомендации на проведение ремонта СТ со вскрытием в случае превышения степени развития дефекта значений, указанных в диаграммах, и вы воде о наличии опасного дефекта обмотки.

Описанная ме тодика проиллюст рирована на рис. 5, где цифрами от 1 до 11 указаны номера резонансов ПФ. По оси абсцисс отло жено количество замкнутых витков.

Горизонтальными линиями указана граница чувстви тельности смеще ния резонанса кри Рис. 5. Диаграмма относительного изменения частот вой, равная 2 кГц в резонансов ПФ обмотки НН при замыкании 1 витка абсолютной вели в катушках Е с каналами 6 мм.

чине. Относитель ная величина чувствительности уменьшается с ростом частоты, в связи с тем, что исходная частота резонанса увеличивается с ростом его номера. Величина кГц – минимальное значение изменения частоты, которое можно определить по ПФ в диапазоне 0 – 1 МГц.

Передаточная функция СЗ с дефектом и без него приведены на рис.6. Там же указаны номера резонансов, частоты которых подверглись изменению, под номером резонанса указано относительное изменение частоты в процентах.

Пользуясь методикой, приведённой выше, можно определить тип, локализацию и степень развития дефекта. При повторном измерении изменились резонансы №1, 2, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Согласно табл. 1 наибольшее количество ячеек таблицы, содержащих умеренное и сильное влияние по частоте для данного набора резо нансов соответствует элементам контура 5, которому соответствует участок об мотки, состоящий из 6 катушек Е, разделённых каналами по 6 мм. Исходя из оценочных диаграмм изменения частот резонансов ПФ, дефект соответствует f витковому замыканию. Согласно значениям i, степень развития дефекта соот ветствует одному витку. Таким образом, сравнивая ПФ трансформатора ТРДН 25000/110, полученные в разное время, можно не только определить наличие дефекта в обмотке, но и его тип, локализацию, а также степень его развития.

Качественные изменения ПФ, спрогнозированные в модели обмотки НН катушечного типа для трансформатора ТРДН-25000/110, наблюдаются в экспе риментах по измерению ПФ катушечной обмотки трансформатора ТМН 2500/110 при ослаблении усилия прессовки, а также многослойной цилиндриче ской обмотки трансформатора ТМ-160/10 при витковом замыкании и радиаль ной деформации в виде «полегания» витков. Проведён ные эксперименты могут служить косвенным под тверждением кор ректности постро енной модели и целесообразности её применения для оценки состояния обмоток НН трансформаторов марки ТРДН Рис. 6. ПФ схемы замещения обмотки НН без дефектов, 25000/110, а также а также при замыкании 1 витка в катушках Е возможности ис с каналами 6 мм. пользования пред лагаемого алго ритма построе ния модели для обмоток СТ других типов.

6. Способ, позволяющий паспортизировать результаты измерений МЧА и упростить их интерпретацию, основанный на спектральном анализе ПФ и замене квазинепрерывных ЧХ силового трансформатора дискретным набором резонансных частот (гаусс-портретом).

Метод частотного анализа является сравнительным, поэтому для СТ необ ходимо иметь эталонные ЧХ обмоток, полученные на этапе приёмо-сдаточных испытаний. Хранение эталонных ЧХ обмоток в виде двумерной кривой на бу мажном носителе делает корректное сравнение текущей и первичной кривых практически невозможным. Для решения данной проблемы в диссертации пред лагается перейти от непрерывного частотного спектра к линейчатому путём ап проксимации исходной ЧХ формулами распределения Гаусса или Лоренца. По лучаемая при этом таблица, содержащая в себе данные о количестве резонансов и их параметрах (частота, амплитуда, ПШПВ), называется гаусс- или лоренц портретом соответственно.

Применение гаусс- и лоренц-портретов позволяет избежать сравнительно го анализа двумерных кривых и перейти к анализу параметров линейчатого спектра, имеющего конечное число анализируемых частот. В итоге анализ сво дится к сравнению численных величин. Это не только упрощает процедуру ана лиза, но и позволяет паспортизировать эти значения при приемо-сдаточных ис пытаниях СТ.

Применение гаусс-портретов сохраняет все характерные изменения ЧХ трансформаторов, что позволяет применять их для оценки состояния обмоток.

При этом близкорасположенные резонансы разных амплитуд снижают точность построения гаусс-портрета. Это объясняется тем, что разность частот между та кими резонансами меньше их ПШПВ, т.е.:

w(f1) (f2 – f1), (2) w(f2) (f2 – f1) При выполнении неравенств (2) соседние резонансы гаусс-портрета сли ваются в один и становятся неразличимы. Это необходимо учитывать при проведении анализа. Для повышения точности определения частот резонансов можно использовать методику первой и второй производной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящей работе выполнены экспериментальные и теоретические ис следования ЧХ обмоток СТ. Основные научные и практические результаты дис сертации заключаются в следующем.

1. Установлены характерные изменения передаточных функций на приме ре трансформатора марки ТМ-160/10 при витковых замыканиях и радиальной деформации в виде «полегания» витков обмотки ВН, а также выявлены факто ры, влияющие на форму частотных характеристик обмоток.

2. Разработан алгоритм построения модели обмотки СТ, основанный на пошаговом подборе значений элементов схемы замещения с применением пря мого моделирования методом Монте-Карло для каждого элемента СЗ. Модель обмотки, построенная по данному алгоритму, позволяет установить соответст вие элементов модели отдельным частям обмотки СТ и влияние изменения па раметров модели на её передаточную функцию. Вышеуказанный алгоритм явля ется универсальным для построения моделей обмоток СТ различных типов и размеров.

3. Построена модель обмотки НН силового трансформатора марки ТРДН 25000/110 с учётом реальной структуры обмотки, позволяющая определять тип дефекта обмотки, его локализацию и степень развития. Приведён перечень воз можных дефектов обмоток СТ с указанием элементов, изменяющихся при соот ветствующем дефекте. Составлена таблица соответствия, раскрывающая степень и характер влияния элементов СЗ на изменения ее ПФ. Таким образом, выявлена зависимость между изменениями ПФ и типом дефекта, его локализацией и сте пенью развития в обмотке СТ. Экспериментально получены косвенные под тверждения корректности предлагаемой модели обмотки СТ.

4. Проведена оценка положения резонансных частот ПФ модели обмотки НН силового трансформатора марки ТРДН-25000/110 в зависимости от типа де фекта, степени его развития и локализации. Построены оценочные диаграммы, раскрывающие зависимость относительного изменения частот резонансов ПФ от степени развития дефекта.

5. Разработана методика диагностирования дефектов обмотки НН транс форматора марки ТРДН-25000/110, позволяющая определять тип дефекта об мотки, его локализацию и степень развития и повышающая информативность МЧА. В методике определены допустимые границы деформаций, что позволяет выявлять опасные стадии развития дефектов и выдавать соответствующие реко мендации.

6. Предложен способ, позволяющий паспортизировать результаты измере ний МЧА и упростить их интерпретацию, основанный на спектральном анализе ПФ и замене квазинепрерывных ЧХ силового трансформатора дискретным на бором резонансных частот (гаусс-портретом). Показано, что применение данно го способа целесообразно для контроля состояния обмоток СТ, так как сохраня ет все характерные изменения исходных кривых и обладает рядом преиму ществ: упрощение анализа частотных характеристик СТ, возможность паспорти зации частотных характеристик СТ, углубление МЧА, простота построения кри вой из линейчатого спектра без потери её наглядности и возможности визуаль ного сравнения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. З.А. Баширов, С.Р. Каминский, Э.Ю. Абдуллазянов, Р.Г. Ильдарханов.

Способ определения мест повреждений линий электропередач распределитель ных сетей. Патент РФ №2292559 от 25 августа 2005 г., G01R31/11.

2. Ильдарханов Р.Г. Поиск места повреждений в распределительных сетях // Науч. студ. конференция, посвященная «Дню энергетика»: Казань, 6-10 декаб ря 2004 года: Тезисы докладов. Казань, Казан. гос. энерг. ун-т, 2005;

с.93.

3. Ильдарханов Р.Г. Метод определения мест повреждений в линиях элек тропередачи // «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергети ческих установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контро ля природной среды, веществ, материалов и изделий». Тезисы докладов XVII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции Казань, изд-во КВАКУ(ВИ), 2005;

с. 43-44.

4. Ильдарханов Р.Г. Спектральный метод определения мест повреждений в линиях электропередач // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани, 10-11 ноября 2005 года: материалы конференции. Том IV. Казань: Изд-во Казан.гос.техн.ун та. 2005. – 151 с.;

с. 17-18.

5. Ильдарханов Р.Г. Способ дистанционного определения места повреж дения в разветвленной электрической сети // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспиран тов: Тез. докл. в 3-х т. – М.: МЭИ, 2006. Т. 3. – 480 с.;

с. 363-364.

6. Ильдарханов Р.Г. Совместное применение локационного метода диаг ностики линий электропередач и частотного метода диагностики трансформато ров для дистанционной диагностики оборудования электрических сетей // Все российская конференция – конкурс инновационных проектов студентов и аспи рантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбере жение», 26 – 29 сентября 2006 г. Труды конференции. – Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2006. – 474 с.;

с. 181-186.

7. Ильдарханов Р.Г. Моделирование частотного способа дистанционного определения места повреждения в разветвленной линии электропередач в среде Matlab // Материалы докладов первой Всероссийской молодежной науч. конф.

«Тинчуринские чтения» / Под. общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я. Петру шенко, В 2 т.;

Т. 2. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006. – 252 с.;

с.173-174.

8. Ильдарханов Р.Г. Программно-аппаратный комплекс по диагностике линий электропередач и силовых трансформаторов // Актуальные проблемы го родского хозяйства и социальной сферы города. Материалы научно практической конференции студентов и аспирантов. Казань: Изд-во «Отечест во», 14-15 декабря 2007 г.;

с. 25-26.

9. Ильдарханов Р.Г. Исследование геометрии обмоток силовых транс форматоров с искусственно внесенными дефектами // Материалы докладов III молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» по священной 40-летию КГЭУ / Под. общ. ред. д-ра физ-мат наук, проф.

Ю.Я.Петрушенко. в 4 т.;

Т. 1. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. – 216 с.;

с.45-46.

10. Усачев А.Е., Ильдарханов Р.Г., Чубуков М.В. Оценка степени дефор мации обмоток силовых трансформаторов методом низковольтных импульсов // Материалы докладов Международной научно-технической конференции «Энер гетика–2008: инновации, решения, перспективы» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат.

наук, проф. Ю. Я. Петрушенко. В 5 кн.;

Кн. 2 «Электроэнергетика и электрони ка». – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. – 162 с.;

с. 37-40.

11. Ильдарханов Р.Г. Диагностирование дефектов обмоток силовых трансформаторов методом низковольтных импульсов // Энергетика Татарстана №1(13), 2009, с. 69-72.

В журналах по списку ВАК:

12. Усачев А.Е., Ильдарханов Р.Г. Дистанционная диагностика состояния силовых трансформаторов на основе исследования их частотных характеристик // Известия ВУЗ. Проблемы энергетики № 5-6, 2007. с. 29-34.

13. Ильдарханов Р.Г., Усачев А.Е. Контроль состояния обмоток силовых трансформаторов путём спектрального анализа передаточных функций // Извес тия ВУЗ. Проблемы энергетики №3-4, 2010. с. 38-47.

14. Ильдарханов Р.Г. Математическая модель обмотки трансформатора ТРДН-25000/110 // Энергетика Татарстана №3(19), 2010. с. 60-66.

Подписано к печати _ г. Вид печати РОМ Формат 6084/ Гарнитура «Times» Усл. печ. л. 0.94 Бумага офсетная Тираж 100 экз. Заказ № Уч.-изд. л. 1. Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская,