Размещено на http://www.allbest.ru/

Диагностика механического состояния обмоток силовых трансформаторов методом анализа частотного отклика (SFRA)

Н.М. Александров1,2, И.Т. Галиев3, Р.В. Мажурин1,4, П.С. Радин1,5, И.А. Шкуропат6, А.Ю. Хренников7

1 аспирант кафедры АЭЭС ФГБОУВПО "Самарский государственный технический университет", Самара, Россия

2 НПП «Динамика», Чебоксары, Россия

3 аспирант кафедры ИИТ «НИУ МЭИ», Москва, Россия

4 ПАО «ФСК ЕЭС» - МЭС Юга

5 Южно-Якутский РЭС филиала ПАО «ФСК ЕЭС» МЭС Востока

6 ЗАО «ГК «Электрощит ТМ-Самара», Самара, Россия

7 АО "НТЦ ФСК ЕЭС", Москва, Россия

Аннотация

частотный трансформатор отклик

Состояние вопроса: Силовые трансформаторы являются важными элементами распределения электроэнергии. Следовательно, необходимо повышенное внимание к мониторингу их состояния. При возникновении коротких замыканий вблизи трансформатора (на его шинах или на стороне низкого напряжения), активная часть трансформатора, а именно обмотка, смещается за счет действия электромагнитных сил. Для выявления такого типа повреждений возможно применение метода анализа частотного отклика для оценки любых механических перемещений. Частотный отклик трансформатора предоставляет информацию о состоянии обмотки.

Материалы и методы: При подготовке работы был проведен анализ существующих схем подключения для снятия характеристик частотного отклика силовых трансформаторов, приведены методы интерпретации этих характеристик и методы оценки состояния трансформаторов по имеющимся характеристикам, а также формулы расчёта показателей и коэффициентов. Также в работе представлены реальные характеристики частотного отклика для нескольких трансформаторов с их анализом.

Результаты: Метод частот анализа частотного отклика позволяет сделать вывод о механическом состоянии обмоток и магнитопровода силовых трансформаторов. Метод основан на сравнении текущих характеристик с предыдущими. Представленные формулы расчета показателей позволяют облегчить анализ. Разработано устройство для снятия характеристик частотного отклика, которое было испытано как в лабораторных условиях, так и на реальных объектах. Представлена программа с возможностью сравнения кривых отклика и расчета показателей.

Выводы: В данной работе был исследован метод анализа частотного отклика для диагностики состояния механических частей силового трансформатора. Исследовательская работы была проведена сначала теоретически, а после применена на реальном объекте. Использования метода сравнения симметричных фаз обмоток высокого и низкого напряжения можно рассматривать, как лучший метод при отсутствии нормограмм (предыдущих характеристик). Применение метода анализа частотного отклика -- это мощная техника, способная определить основной дефект механической части трансформатора. В последующих работах будет больше случаев изучения трансформаторов, находящихся в эксплуатации для доказательства преимуществ диагностики методом частотного анализа.

Ключевые слова -- силовой трансформатор, диагностика, метод анализа частотного отклика, Sweep Frequency Response Analysis (SFRA),механические деформации

Abstract

Diagnostics of power transformer winding's mechanical state using Sweep Frequency Response Analysis (SFRA)

N.M. Aleksandrov1,2, I.T. Galiev3, R.V. Mazhurin1,4, P.S. Radin1,5, I.A. Shkuropat6,

A.U. Hrennikov7

1 Samara state technical university, Samara, Russia

2 NPP “Dynamics”, Cheborsary, Russia

3 National Research University "MPEI", Moscow, Russia

4 FEDERAL GRID COMPANY, South Main Electrical Grid department

5 FEDERAL GRID COMPANY, East Main Electrical Grid department

6 Electroshield, Samara, Russia

7 R&D CENTER FOR POWER ENGINEERING, Moscow, Russia

E-mail: nickdynamics@gmail.com

Background: Power transformers are basic elements in the electricity transmission. Hence, serious attention for the transformer condition monitoring is very important. With an occurrence of short-circuit near a transformer, the transformer active parts such as windings will experience a mechanical movement created by the electromagnetic forces. Sweep Frequency Response Analysis (SFRA) has been introduced to assess any mechanical movement especially of the transformer's core and winding. The frequency response of the transformer provides mechanical information of core and winding conditions.

Materials and Methods: In this article an analysis of existing connection schemes for SFRA, interpretation techniques for SFRA data, numerical coefficients. Real case SFRA curves are also presented in the end.

Results: SFRA provides assessment of power transformer winding's mechanical state. SFRA is based on comparing of the test curves with the previous ones. Presented calculations make assessment easier. The diagnostic device was presented. Software for PC is also described in the article.

Conclusions: In this paper, the SFRA method on diagnosing the condition of transformer parts such as windings was investigated. The research work was made at first theoretically and then on the real case. By using the symmetrical phase comparison of both HV and LV windings it could be the best alternative way on interpret the SFRA measurement data besides on finding the transformer historical SFRA measurement data. SFRA measurement is a powerful techniques where it is able to show the main defect of the transformer components. For the next project, more case studies of actual transformer will be validated to enhance the SFRA measurement advantages

Keywords -- power transformer, diagnostics, Sweep Frequency Response Analysis (SFRA), mechanical deformations.

Оценка фактического состояния силового электрооборудования по результатам диагностических измерений является на сегодняшний день сложной и актуальной задачей. Значительная часть силового электрооборудования выработала свой ресурс, но продолжает эксплуатироваться из-за недостатка финансовых средств на его замену. Соответственно с каждым годом возрастают затраты на проведение комплексных обследований и диагностики.

Следует отметить, что трансформаторы с дефектами в активной части могут нормально эксплуатироваться еще в течении многих лет, хотя в месте дефекта идут процессы развития нагрева, частичных разрядов (ЧР) в изоляции и, как следствие, ухудшение результатов диагностических измерений и анализов. В дальнейшие годы эксплуатации, а также в случае следующего серьезного КЗ, вероятен аварийный выход из строя трансформатора с тяжелыми последствиями.

По статистике для трансформаторов напряжением 110-500 кВ и мощностью 63 МВА и более на предприятиях электрических и межсистемных сетей России около 30 % от общего числа отключений оборудования связано с внутренними КЗ. Таким образом, проблема недостаточной электродинамической стойкости обмоток высоковольтных силовых трансформаторов при КЗ остается на сегодняшний день достаточно актуальной.

Метод анализа частотного отклика

По выводам рабочей группы CIGRE WG А2.26, основанном на обобщении международного опыта, метод частотного анализа (FRA - Frequency Response Analysis) является наиболее чувствительным методом диагностики механического состояния обмоток трансформаторов. Метод частотного анализа является развитием метода низковольтных импульсов, предложенного в 60-х годах Лехом и Тыминским и получившего широкое распространение в мире для диагностики деформаций обмоток силовых трансформаторов вследствие воздействия токов короткого замыкания.

Суть метода частотного анализа заключается в том, что от специального генератора на ввод обмотки (или в нейтраль) подается зондирующий сигнал (импульсный или синусоидальный, а с вводов других обмоток регистрируются отклики - реакции обмоток на воздействие зондирующего сигнала. Любые изменения геометрии обмоток из-за деформаций, смещения, распрессовки приводят к изменению соответствующих емкостей и индуктивностей, а значит, к изменению реакции обмоток на воздействие зондирующего сигнала. Характер изменения частотного спектра отклика зависит от величины и характера деформаций.

При реализации данного метода могут быть использованы два подхода: импульсный и частотный.

В импульсном методе (IFRA - Impulse Frequency Response Analysis) в качестве источника зондирующих сигналов используется генератор низковольтных импульсов (стандартный, двойной экспоненциальный, прямоугольный); двухканальный АЦП одновременно записывает два сигнала: 1-й канал - входной прямоугольный зондирующий импульс, 2-й канал - переходный импульсный ток - реакцию обмотки на приложенный импульс. Далее, в зависимости от выбранного алгоритма анализа, для записанных входного сигнала и отклика производится расчет их спектральных плотностей.

В частотном методе (SFRA - Sweep Frequency Response Analysis) в качестве источника зондирующих сигналов используется генератор синусоидального напряжения изменяющейся в широком диапазоне частоты - от нескольких герц до нескольких мегагерц. Рассчитывается передаточная функция как отношение спектров входного и выходного сигналов (см. Рисунок рис. 2). Степень отличия передаточных функций, рассчитанных до и после воздействия на трансформатор электродинамических сил короткого замыкания производится с помощью разных средств анализа, заложенных в программное обеспечение.

Высокая чувствительность метода объясняется тем, что даже незначительные локальные изменения положения элементов обмотки (витков, катушек, отводов) приводят к резкому изменению соответствующих емкостей и индуктивностей и, соответственно, к изменению собственных частот колебаний обмотки (см. Рисунок рис. 1). Разные виды деформаций приводят к изменениям в разных диапазонах спектра частот.

Рисунок 1 - Обмотка трансформатора

Рисунок 2 - Кривые передаточной функции частотным методом (SFRA)

Стандартное применение метода состоит из получения эталонной кривой (нормограмма) в момент, когда трансформатор новый, или когда известно, что он находится в хорошем состоянии. Далее все последующие измерения сравниваются с эталонным и по отклонениям определяется характер и степень неисправностей. Это наиболее надежный метод при эксплуатации.

Другое применение основано на получении общей эталонной кривой для серии трансформаторов одной конструкции и дальнейшей отбраковке по допустимым уровням отклонений.

Если не доступны ни результаты предыдущих исследований, ни характеристики трансформаторов того же типа, возможно сравнение с характеристикой соседней фазы того же трансформатора.

В основной массе случаев неисправности магнитопровода и обмоток отражаются в низко- и среднечастотной областях, тогда как высокочастотная область ответственна за специфичные изменения, такие как смещения обмоток. Проблемы с сердечником ведут к изменению отклика на низких частотах. Проблемы с заземлением сердечника или замыканиями ламинированных листов типично изменяют вид кривой на сверхнизких частотах. Средние частоты характеризуют осевое и радиальное смещение обмоток. Высокие частоты характеризуют проблемы, вовлекающие соединения обмоток, ввода, отпайки РПН, ПБВ. Рекомендации по оценке приведены в таблице 1.

Анализ характеристик

Один проведенный частотный тест может определить проблемы в обмотках, которые невозможно выявить другими методами. Данный тест - это быстрый и эффективный способ выяснить, был ли причинен серьезный вред трансформатору, или его можно смело вводить в работу. Если была выявлена проблема, результаты теста будут опорой для выяснения характера неисправности и определения дальнейших ремонтных мероприятий.

Снятие эталонных характеристик всех сетевых трансформаторов является хорошим вложением средств - это сбережет время и деньги в случае возникновения аварийного события при определении его результатов.

Устройство для анализа частотного отклика

Для снятия характеристик частотного отклика обмоток силовых трансформаторов специалистами НПП «Динамика» было разработано устройство РЕТОМ-FRA. Устройство представляет собой программно-аппаратный комплекс под управлением ПК или ноутбука, позволяющий в автоматическом режиме снимать характеристики частотного отклика (SFRA) в частотном диапазоне от 10 Гц до 2,5 МГц. Согласно таблице 1 этот частотный диапазон оптимален для выявления неисправностей трансформатора.

На экране одновременно возможно отображение до трёх характеристик для их анализа. Для облегчения анализа и интерпретации результатов измерения в программе реализован расчет коэффициента корреляции во всем частотном диапазоне и в трёх поддиапазонах, указанных в таблице 1. Формула расчета коэффициента корреляции выглядит следующим образом (1):

(1)

Рекомендуемые границы коэффициента корреляции приведены в таблице 2.

Границы CCF

Применение устройства на силовом трансформаторе

Устройство РЕТОМ-FRA было опробовано и испытано на нескольких силовых трансформаторах и реакторах.

На рисунке 3 представлены 3 кривые пофазного сравнения частотных откликов трансформатора мощностью 10 МВА напряжения стороны ВН 35 кВ.

Рис. 3. Характеристики трансформатора 10 МВА

Результаты испытания свидетельствуют об изменениях в среднем частотном поддиапазоне фазы B.

Далее проводилось испытание реактора мощностью 60 МВА и напряжением 500 кВ (рис. 4).

Рис. 4. Характеристики реактора 60 МВА

В случае с реактором сравнение возможно только с результатами предыдущих испытаний или же результатами испытаний однотипных трансформаторов. В данном случае в распоряжении имелись характеристики однотипного трансформатора (рис. 5).

Рис. 5. Сравнение результатов исследования реактора 60 МВА

Выводы

Испытание силового трансформатора методом анализа частотного отклика (SFRA) является чувствительным методом определения механического состояния обмоток силовых трансформаторов. Один проведенный частотный тест может определить проблемы в обмотках, которые невозможно выявить другими методами. Данный тест - это быстрый и эффективный способ выяснить, был ли причинен серьезный вред трансформатору, или его можно смело вводить в работу. Если была выявлена проблема, результаты теста будут опорой для выяснения характера неисправности и определения дальнейших ремонтных мероприятий.

Снятие эталонных характеристик всех трансформаторов является хорошим вложением средств - это сбережет время и деньги в случае возникновения аварийного события при определении его результатов.

Список литературы

Хренников А.Ю., Киков О.М. Диагностика силовых трансформаторов в Самараэнерго методом низковольтных импульсов//Электрические станции.- N 11.- 2003.

Sharin Ab Ghania*, Yasmin Hanum Md Thayoobb, Young Zaidey Yang Ghazalic, MohdShahril, Ahmad Khiara, Imran Sutan Chairula “Condition Monitoring of Distribution Transformer's Mechanical Parts using Sweep Frequency Response Analysis (SFRA)”, The Malaysian International Tribology Conference 2013, MITC2013

A. Contin, G. Rabach, J. Borghetto, M. D. Nigris, R. Passaglia and G. Rizzi, “Frequency-response Analysis of Power Transformers by Means of Fuzzy Tools”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, June 2011, Vol. 18, No. 3.

Khrennikov, Alexander Yu. “Transformer Testing Experience by LVI/FRA Methods. Short-Circuit Performance of Power Transformers.” Current Advance in Energy Research (CAIER) Volume 1, Issue 1 Jun. 2014 PP. 8-14. www.vkingpub.com/VkUpload/201406131101418881.pdf

Размещено на Allbest.ru