Диагностика состояния систем электроснабжения на этапе проектирования

Другим подходом повышения безотказности электрооборудования может служить использование методов и средств технической диагностики [4]. Он дает возможность анализировать работоспособность системы с использованием диагностических моделей. Так, в работе [5] приведены средства технической диагностики, выполнена оценка ее эффективности. В [4] подробно рассматриваются вопросы конструирования оптимальных диагностических систем. Техническая диагностика направлена на то, чтобы повысить надежность основных сетей электроснабжения путем выполнения тщательного обследования для объективного определения текущего состояния, в котором находится обследуемый объект. Прежде всего, это касается силового электрооборудования. Поэтому основной целью диагностирования технического состояния является выявление дефектов электрооборудования на ранней стадии их возникновения, а функциональной, кроме выявления дефектов, - наблюдение и прогнозирование их развития, составление планов на ремонт оборудования. Для этого в работе [1] Алексеевым Б.А. определены дефекты электрооборудования, проявляющиеся во время работы, их признаки, средства и способы выявления. А в работе  
[3] перечислены возможности повышения безотказности систем электроснабжения при использовании эффективных методов контроля состояния и диагностирования. В работе [3] приведен алгоритм определения работоспособности трансформаторов, приведены структурная схема автоматизированной системы контроля их состояния и принцип автоматизации принятия решений. 

Увеличивающееся количество оборудования, исчерпавшего свой максимальный ресурс работы, в сочетании с негативными внешними воздействиями (перегрузки, перенапряжения, короткие замыкания и т.д.) приводит к росту отказов. В таких условиях применение эффективной диагностики состояния электрооборудования является актуальной задачей. Так, в [3] предложено создание локальной системы диагностики электрооборудования. Приведены организационные мероприятия и, предложены технические решения в виде концептуальной стратегии выявления и прогнозирования развития дефектов. Дальнейшее развитие проблема получила в [4]. Решение данной задачи может быть получено с учетом современных информационных технологий. Одно из них предлагается авторами в работе [4] и может стать основой для реализации системного решения при оценке состояния силовых трансформаторов, реакторов и других элементов систем электроснабжения. Принцип системного подхода реализован в схеме создания (модульность, открытость) и в технологии ее применения (учет текущей информации, даже весьма нечеткой, об объекте на промежуточном этапе его жизненного цикла). Информационно-нормативная база системы приведена в работах [3-4]. При этом работоспособность информационной системы достигается даже при одном реально используемом в энергосистеме виде испытаний. Если их осуществляется два и более, проводится комплексный анализ, когда оцениваются данные, получаемые из разных источников, в различные периоды времени по отношению к разным узлам электроснабжения. Характеристика состояния объекта может быть представлена в виде так называемой «линии жизни», которая может быть приведена для любого маслонаполненного оборудования. Она описывает весь период наблюдений со всеми внешними и внутренними факторами, и строится по точкам, в каждой из которых характеризуется всей доступной на текущий момент, информации о состоянии объекта. Обработка этой информации ведется по специальному алгоритму [4], учитывающему соответствие каждого параметра своим краевым значениям, выход за которые характеризует определенное неблагополучие в состоянии объекта. Неравномерность доверительного интервала (периода) около линии жизни является признаком степени точности оценки состояния. Широкий диапазон свидетельствует о малом числе испытаний или завершении периодов их актуальности на соответствующий временной промежуток, узкий - о своевременности и необходимом количестве проведенного обслуживания. По результатам анализа даются рекомендации о дальнейших эксплуатационных действиях. Тем не менее, в этом подходе не разделены методы и средства технического контроля по уровню достоверности контролируемых параметров, что является его недостатком.

Система комплексной диагностики относится к классу информационно- измерительных систем [6], так как в этом случае обязательно присутствуют измерительные преобразования, совокупность которых составляет основу для последовательной процедуры диагноза. Ее необходимо рассматривать как совокупность множества вероятных состояний объекта, множествами сигналов, владеющих информацией о состоянии объекта, и алгоритмов их сопоставления [4]. Объектами комплексной диагностики являются составные части системы электроснабжения. Элементы такой системы могут пребывать в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Поэтому одними из задач систем комплексной диагностики являются установление работоспособности элемента и выявление неисправностей. Отсюда следуют основные этапы реализации системы комплексной диагностики: определение состояний элементов объекта диагностики контролируемых величин, сбор и анализ необходимых статистических данных; математическое моделирование объекта и разработка алгоритма проверки объекта; построение структуры диагностической системы.

Элементы, подвергающиеся диагностированию, как правило, недоступны для визуального наблюдения, что требует проведения процедуры диагностики без нарушения технологического цикла. По этой причине преимущественно применяются косвенные методы измерения и контроля  
[4,5]. 

Во время определения дефектов применяется комбинированный или последовательный метод. При комбинированном поиске выполняется установленное число проверок независимо от порядка их выполнения. Последовательный поиск связан с анализом результатов ведущейся проверки и принятием решения на продолжение процедуры проверки.  
В зависимости от конечной цели диагностирования различают диагностические и прогнозирующие системы комплексной диагностики. Диагностические системы предназначены для установления наличия неисправности и локализации места неисправности. Прогнозирующие системы комплексной диагностики по результатам предварительных проверок прогнозируют поведение объекта в будущем. Поэтому особый интерес вызывают прогнозирующие системы технической диагностики [4,5]. Прогнозирование - одна из самых перспективных, но при этом и самых сложных, методов анализа. Метод прогнозирования в общем случае сводится к проведению оценки будущих значений, упорядоченных во времени данных с учетом анализа уже имеющихся данных. Ее решение дает возможность определить остаточный ресурс или прогнозировать отказы в системе электроснабжения. В системах электроснабжения случаи мгновенного развития аварийных процессов встречаются достаточно редко. Для каждого  
объекта характерны скорости аномальных процессов [5]: развитие аварии во времени не происходит; дефект усиливается медленно, т.е. имеет место «слаботекущий» характер процесса; возникает первая или вторая ситуация, но на определенных режимах работы оборудования; дефект развивается значительно быстрее, в результате чего срабатывает защита или возникает авария. 

Рассматриваемые системы комплексной диагностики позволяют установить в элементах систем электроснабжения дефекты различного происхождения. Поэтому следующей задачей комплексной диагностики является оценка вероятности обнаруженных дефектов с точки зрения безотказного функционирования и безопасной работы оборудования [4,5]. Необходимость прогнозирования возникновения дефектов элементов, оценка возможности эксплуатации в условиях неполноты и неопределенности информации о техническом состоянии оборудования, является значительно влияющим фактором. Одним из возможных способов прогнозирования в условиях неопределенности исходных данных является вероятностный метод [2,3]. Для определения вероятности отказов при проявлениях дефектов различных типов нужно знать последующие вероятностные и числовые характеристики: функции зависимости дефектов от размеров; математические ожидания числа выявленных дефектов; максимальные значения обнаружения; параметры системы выявления дефектов; критические уровни дефектов. Изложенный в [4] метод оценки вероятности отказа элементов по результатам диагностического анализа дефектов дает возможность учитывать статистическую информацию о различных видах дефектов, полученную в результате обследования, определить остаточный ресурс по результатам очередного диагностического обследования.

Так, согласно статистическим данным текущее состояние парка маслонаполненного электрического оборудования выглядит следующим образом: за 3 года число повреждений маслонаполненного оборудования напряжением выше 35 кВ выросло на 14,3 %, процент повреждений в общем количестве технологических аварий по годам составил: в 2011 г. - 4,8 %; 2012 г. - 5,4 %; 2013 г. - 6,1 % [ 55]. 

Комплексной диагностике отводится важная роль в повышении эффективности функционирования систем электроснабжения. Все многообразие методик и средств комплексной диагностики по способу воздействия на объект [3,4,5] может быть разделено на 3 вида: тестовая диагностика; функциональная; комбинированная диагностика (рис. 1). 

Одним из характерных признаков тестовой диагностики является формирование требуемых возмущений в объекте диагностики. Другим характерным признаком является то, что исследование объекта в данном случае осуществляется только после вывода его из эксплуатации (например, при проведении плановых ремонтов). Методы диагностики этой группы являются на данный момент традиционными для силового электрооборудования, т.к. в течение длительного времени они являлись основными источниками данных об исследуемых объектах электроэнергетики.  
Так, определение сопротивления изоляции обмоток относится к виду контроля при выводе оборудования в ремонт [4]. Этим методом эффективно определяются [2,3,4]: местные нарушения изоляции; загрязнения изоляции; повреждения изоляции; проникновение в изоляционный промежуток токопроводящих проводников (металлической стружки, следов от графита и т.д.); уровень увлажнения изоляции [3]. 

Рис.1. Классификация методик комплексной диагностики  
Для общей оценки вероятностного состояния изоляции обычно используется показатель тангенса угла диэлектрических потерь [2,3]. 

Еще один способ определения состояния изоляции маслонаполненного оборудования - хроматографический замер газов [5]. Он основан на анализе характеристик газов. Под определением дефекта здесь имеется в виду согласование набора диагностических показателей, характеризующих состояние объекта. В качестве показателя в [5] используется общее значение квадрата разностей значений параметров, измеренных во время испытаний, и эталонных. Адекватность обнаружения дефектов определяется корректностью составления модели самого дефекта. Достоверность выявления дефектов оборудования по результатам хроматографичеих испытаний газов в [4] предлагается увеличить на основе метода Байеса [4]. При использовании данного метода вероятности всех возможных исходов исследования объединяются с гипотезами, известными до проведения эксперимента, и затем вычисляется вероятность того, что данные гипотезы  
подтверждаются ходом эксперимента

В последние годы вместе с традиционными широкое распространение получают и новые методы тестовой диагностики, такие, как метод низковольтных импульсов [4]. Сущность его состоит в том, что при питании одной из обмоток силового трансформатора прямоугольным импульсным напряжением величиной 100500 В переходные импульсы тока на других обмотках регистрируются при помощи осциллограмм. По изменениям, заметным в осциллограммах, полученным до и после воздействия токов короткого замыкания, делают выводы об изменениях сопротивления обмоток трансформатора  
Методы тестовой диагностики в большинстве случаев позволяют успешно выполнять диагностику электрооборудования. К основным недостаткам этих методов относятся низкая информативность и требование вывода оборудования из эксплуатации. 

К следующей группе относят методы функциональной диагностики. Их отличие заключается в том, что они позволяют провести исследование электрооборудования во время его эксплуатации, производить дистанционное диагностирование и осуществлять оперативное управление состоянием объекта исследования.

В настоящее время нашли применение перечисленные ниже методы функциональной диагностики: 

1. метод выявления источников внутреннего выделения газов с помощью акустических датчиков [4]. Дает возможность определять наличие источника внутреннего выделения газов я, обрыв проводников заземления в активной части трансформатора. Преимуществом данного метода являются простота, а, значит, и невысокая стоимость оборудования для диагностики. К недостаткам метода можно отнести зависимость отклонения результатов от внешних помех. Кроме того, при применении акустических датчиков возможно определение лишь примерного местоположения вероятностного дефекта, связанного с обильным выделением газов; 
2. тепловизионный метод, заключающийся в применении современных тепловизионных систем, дает возможность получать тепловую картину объекта исследования [3,4] 
3. метод определения деформаций и смещений обмоток силового трансформатора по параметрам нулевой последовательности при работе в нормальном режиме, на основе измерения действующих значений и фаз тока в нейтральном проводнике, фазных токов и напряжения нулевой последовательности [2,3]. Этот метод диагностики состоит в контроле за состоянием обмоток посредством проведения электрических измерений. Его основное достоинство — постоянный контроль за величинами указанных электрических параметров. К недостаткам метода относится низкая информативность, т.к. при некоторых обстоятельствах деформации обмоток трансформатора могут не приводить к изменениям измеряемых параметров; 
4. метод диагностики трансформаторов по вибрационным параметрам. Он основан на качественной и количественной характеристике вибрации поверхности бака как функции механического изменения состояния обмоток и магнитного провода [2,3]. Он предназначен для определения уровня распрессовки обмоток и магнитопровода. 

Определив и проанализировав сущность и подходы к созданию комплексных систем диагностирования электрических сетей, можно провести технический анализ существующих диагностических комплексов.

ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

Рассмотрены методы и модели анализа электрических сетей, в которых возникают провалы напряжения. В основу методики определения параметров напряжения положен комбинированный способ.

Обычно провалом напряжения называют кратковременное снижение или полную потерю напряжения. С физической точки зрения это означает, что требуемая энергия не поступает к нагрузке. Такое явление может привести к серьезным последствиям. Параметрами провала напряжения являются его длительность Atn и величина остаточного напряжения 5Un, выражаемая в процентах от номинального. В большинстве случаев падением напряжения будет являться относительно длительное его снижение. Такой способ применяют для уменьшения нагрузки в периоды максимума потребления энергии или уменьшения возможного ее наличия в сравнении со спросом. 

Считается, что электродвигатели, в том числе и установки с регулируемым приводом, наиболее подвержены влиянию провалов напряжения из-за того, что нагрузке необходима энергия, которой уже недостаточно. При этом исключением будет являться инерция движущихся частей. Если в системе несколько электроприводов, то управляющие элементы могут управлять отключением двигателя с различными значениями напряжения и применять различные принципы замедления. Это ведет, например, к потере контроля за процессами непрерывных производств чугуна.

На данный момент признаны две основные причины провалов напряжения, а именно подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках цепи. При запуске электродвигателей, имеющих значительную мощность, пусковые токи могут в разы превышать номинальные. В случае расчета подключенного кабеля на номинальную мощность пусковые токи приводят к снижению напряжения как в питающей сети, так и на стороне нагрузки.  

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ :

Алексеев Б. А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. М.: НЦ ЭНАС 2002. 216с. 

Испытание мощных трансформаторов и реакторов / Г. В. Алексенко. М.: Энергия 1978. 254 с. [и др.] 

В. В. Базуткин, В. П. Ларионов, Ю. С. Пинталь Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах /; под. общ. ред. В. П. Ларионова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 464 с.