автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему: Разработка новых методов и алгоритма оценки качества эксплуатационных масел силовых трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ
Автореферат диссертации по теме "Разработка новых методов и алгоритма оценки качества эксплуатационных масел силовых трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ"
На правах рукописи
ВЫСОГОРЕЦ Светлана Петровна
РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ МАСЕЛ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЕМ 35 - 110 КВ.
Специальность 05.14.12-Техника высоких напряжений
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
2 8 ФЕВ 2013 005050161
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт — Петербургском государственном политехническом университете» (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)
Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор
Васильев Анатолий Петрович
Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор
Андреев Александр Михайлович кандидат технических наук, доцент Скорняков Владимир Анатольевич
Ведущая организация Институт социально-экономических и энергетических
проблем Севера Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук
Защита состоится «14» марта 2013г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.11 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургском государственном политехническом университете» по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29, первый учебный корпус, ауд. 312.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургского государственного политехнического университета».
Автореферат разослан « февраля 2013г.
диссертационного совета Д 212.229.11 кандидат технических наук, доцент
Максим Георгиевич Попов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Наиболее важным и дорогостоящим оборудованием электрических сетей являются силовые трансформаторы. В России в настоящее время больше половины эксплуатируемого парка силовых трансформаторов работают с превышением назначенного ресурса. Общий износ основных фондов ОАО «МРСК Северо-Запада» составляет по состоянию на 2011 год 63,7 %. Анализ причин отказов показывает, что их значительное количество обусловлено эксплуатацией оборудования со сроком службы более 25 лет. Из исследований ряда авторов следует, что в среднем около 40% отказов вызваны развивающимися дефектами, которые могли быть устранены на ранней стадии развития. В силовых трансформаторах 35 - 110 кВ из дефектов износового характера часто встречается увлажнение изоляции и загрязнение примесями, образующимися при старении масла. В данных условиях работы возрастает роль, как технической диагностики энергетического оборудования, так и проведения превентивных мер при осуществлении технического обслуживания.
эм виде просьба направить ™"а,,Ш1Ынь1х__масел_ В силовые трансформаторы
Поэтому проблема оценки качества эксплуатационных масел, лак системы мер обеспечивающих надежность и долговечность силовых трансформаторов, наиболее актуальна для трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ.
Значительное ухудшение качества эксплуатационных масел, неизбежно ведет к электрическому и механическому износу целлюлозной изоляции, восстановить которую практически невозможно, вместе с тем можно снизить скорость старения изоляционных материалов. Своевременное проведение мероприятий по поддержанию стабильных характеристик изоляции путем постоянного удаления продуктов старения из эксплуатационного масла и своевременного восстановления его ресурса является превентивной мерой позволяющей обеспечить требуемый уровень надежности маслонаполненных трансформаторов. Для своевременного принятия мер, направленных на повышение надежности и долговечности силовых трансформаторов, необходим научный анализ и поиск решений.
і стабильностью) : требованиями, ;м 220 кВ и более.
Отмеченные обстоятельства определяют актуальность темы, как в теоретических, так и в практических аспектах, и востребованность ее результатов в деятельности предприятий осуществляющих эксплуатацию силовых трансформаторов.
В диссертации развиты критерии оценки ресурса жидкой изоляции, так как общепризнанно, что остаточный ресурс твердой изоляции тесно связан с остаточным ресурсом трансформаторного масла, в конечном итоге влияющий на надежность оборудования. Большой вклад в изучение проблем обеспечения надежности в электроэнергетике внесли член-корр. РАН, профессор А.Ф. Дьяков, д.т.н., профессор, чл. корр. РАН H.H. Воропай, д.т.н., профессор М.Ш. Мисриханов, д.т.н., профессор С.И. Кривошеев, зав.НИС, к.т.н. А.Е. Монастырский, д.т.н, профессор Ю.Я. Чукреев, д.т.н., профессор A.M. Андреев, д.т.н., профессор М.А. Короткевич.
Целью работы является разработка новых методов и алгоритма оценки качества эксплуатационных масел, как системы мер обеспечивающих надежность и долговечность силовых трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ. Достижение поставленной цели связывается в данной диссертационной работе с решением следующих задач:
1. Проведение обобщения результатов исследовательских работ по изучению химической структуры трансформаторных масел, теоретических основ окислительных процессов протекающих в них. Анализ факторов влияющих на процессы старения масел. Определение оптимальных периодов воздействия на процессы окисления масел, позволяющих продлить срок эксплуатации, как масел, так и силовых трансформаторов.
2. Проведение оценки достаточности перечня регламентированных при текущей эксплуатации показателей качества масел силовых трансформаторов напряжением 35 — 110 кВ с точки зрения обеспечения надежности оборудования в условиях эффективного управления активами. Поиск методов позволяющих оценивать качество эксплуатационных трансформаторных масел на перспективу.
3. Разработка концептуальной математической модели направленной на исследование возможности на основе измеренных значений регламентированных показателей качества масел прогнозировать снижение ресурса масел. Разработка и проведение научного эксперимента.
4. Разработка новых методов и алгоритма оценки качества эксплуатационных масел силовых трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ.
5. Проведение научного анализа существующего подхода к организации контроля качества эксплуатационных масел силовых трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ, как процесса обеспечивающего надежность энергосистем, определение проблем и формирование предложений по его доработке.
Объектом исследования является процесс изменения качества изоляционных масел при эксплуатации маслонаполненных силовых трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ без специальных защит масла. Предметом исследования является корреляция ряда показателей качества эксплуатационных масел от степени его старения с последующей оценкой на ее основе эффективности существующего подход при организации контроля силовых трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ.
Методы исследования. В ходе исследований использованы системный анализ, теория вероятностей, теория надежности, теория принятия решений, методы математической статистики, корреляционный и регрессионный анализ, непарамстрические методы статистики. При организации лабораторных экспериментов использованы стандартизированные методики измерения показателей качества трансформаторных масел.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые установлены правила классификации трансформаторов на группы по противоокислительной стабильности, позволяющие прогнозировать снижение ресурса масел на основе измеренных показателей качества. В основу правил заложена разработанная модель, представленная одноуровневым бинарным деревом.
2. На основе созданной математической модели впервые разработан «Алгоритм подбора системы мер, направленных на поддержание удовлетворительного качества эксплуатационных масел». Посредством вышеуказанного алгоритма определяются оптимальные сроки проведения работ и набор мероприятий, необходимых для поддержания качества эксплуатационных масел в удовлетворительном состоянии.
3. Впервые, в качестве способа тестовой оценки ресурса эксплуатационных масел трансформаторов, предложена методика измерения противоокислительной стабильности, стандартизированная в ГОСТ 981-75.
4. Впервые разработан «Метод определения объема материалов, номенклатуры и порядка проведения работ по восстановлению ресурса эксплуатационных трансформаторных масел».
Практическая значимость работы заключается:
1. В установлении наиболее рационального способа восстановления эксплуатационных свойств трансформаторных масел, дающего максимальный технико-экономический эффект, а именно: проведение работ по восстановлению утраченного ресурса масел непосредственно на работающем оборудовании. Предложенные методы и алгоритм позволяют выбрать оптимальный момент проведения профилактических работ, определить объем материалов, номенклатуру и порядок проведения работ для достижения максимального эффекта с минимальными затратами. Предложенный способ организации технической эксплуатации силовых трансформаторов позволяет увеличить срок службы масел, соответственно сократить их расход, а также продлить межремонтный период работы силовых трансформаторов.
2. В повышении надежности и долговечности трансформаторов. Поддерживая при эксплуатации трансформаторов оптимальное качество залитых изоляционных масел, предотвращая образование продуктов глубокого окисления при старении масел, тем самым повышается надежность и продлевается ресурс трансформаторов: посредством уменьшения гидролитической деструкции целлюлозной изоляции предотвращается снижение ее механической прочности.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Обоснование целесообразности введения нового показателя качества эксплуатационных масел - «стабильность против окисления», позволяющего проводить тестовую оценку ресурса масел.
2. Новый «Алгоритм подбора системы мер, направленных на поддержание удовлетворительного качества эксплуатационных масел» разработанный на основе созданной однофакторной математической модели.
3. Новый «Метод определения объема материалов, номенклатуры и порядка проведения работ по восстановлению ресурса эксплуатационных трансформаторных масел», основанный на организации специального лабораторного эксперимента.
4. Новые лабораторные методики обработки трансформаторных масел и адсорбентов.
5. Новые требования к качеству эксплуатационных масел и объему плановых периодических измерений силовых трансформаторов напряжением 35 - 110 кВ, как к мерам, обеспечивающим поддержание стабильных характеристик изоляции трансформаторов.
Степень достоверности результатов проведенных исследований: Достоверность результатов обеспечивается использованием обширного статистического материала по отказам трансформаторов; воспроизводимостью результатов экспериментов; применением современного программного комплекса для расчетов. Результаты работы находятся в согласии с известными теоретическими положениями.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на: Научно-техническом совете (далее НТС) ОАО «МРСК Северо-Запада» (г.Санкт-Петербург, 2007); НТС ОАО «МРСК Северо-Запада» (г.Сыктывкар, 2009); 81-м Международном научном семинаре им. Ю.Н.Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (г.Санкт-Петербург, 2009); 34-м заседании Международного научно-практического семинара «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования» ФГАОУ ДПО «ПЭИПК» (г.Санкт-Петербург, 2010); 83-м Международном научном семинаре им. Ю.Н.Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (г.Кинешма, 2011); НТС ОАО «МРСК Северо-Запада» (г.Псков, 2012); Научно-техническом совете ОАО «МРСК Северо-Запада» «Комиэнерго» (г.Сыктывкар, 2012 год); Заседании кафедры «Электроэнергетика, техника высоких напряжений» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» (г.Санкт-Петербург, 2012).
Реализация результатов работы. Результаты исследования используются в ОАО «МРСК Северо-Запада». Разработанные методы включены в стандарт организации ОАО «МРСК Северо-Запада» «Диагностика маслонаполненного оборудования по результатам испытаний трансформаторного масла», основные положения разработанных методов и методик вошли в «Инструкцию по проведению экспериментальных работ при оценке восприимчивости трансформаторного масла к воздействию антиокислительной присадки (ионол)». Разработанные методы и алгоритм в феврале 2012 года рассмотрены на НТС ОАО «МРСК Северо-Запада» одобрены, признаны актуальными и рекомендованы к внедрению в филиалах ОАО «МРСК Северо-Запада».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 1 в издании рекомендованных ВАК.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 100 наименований, 17 приложений, включает 146 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 14 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены объект, предмет, цель, задачи и методы исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность результатов исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор научно-исследовательских работ по изучению химической структуры трансформаторных масел, кинетической закономерности окислительных процессов протекающих в нем.
Установлено, что наиболее эффективным периодом воздействия на окислительный процесс масла с целью его предотвращения является время завершения индукционного периода окисления (периода, в течение которого отсутствуют видимые изменения качества масла), соответственно, наиболее эффективными являются мероприятия, направленные на его продление. Вместе с этим, установлено, что существующие пороговые значения ряда регламентированных показателей качества масла ориентированы на глубокие стадии старения, в период которых проведение работ по восстановлению ресурса масла на работающем оборудовании неэффективно.
Существенным недостаткам контроля в текущей эксплуатации силовых трансформаторов является отсутствие каких-либо методов прогноза качества эксплуатационных масел. Решить данную проблему позволяет измерение стабильности против окисления трансформаторного масла, стандартизированное ГОСТ 981-75. Однако, измерение стабильности, является сложным, трудоемким лабораторным анализом, поэтому оправдано определить маркеры, с помощью которых можно выявлять объекты, требующие анализа по предложенному методу. С этой целью была выдвинута гипотеза о существовании корреляции показателей качества и стабильности масла.
Во второй главе для эмпирической проверки и доказательства выдвинутого предположения разработана концептуальная математическая модель, определена ее структура и параметры. Исходя из предмета исследования, определена выборка силовых трансформаторов из всей генеральной совокупности, подлежащая анализу, а также объем проводимых измерений, подобраны методики измерений, условия процесса окисления эксплуатационного масла и пороговые значения.
На модели представленной графически (рисунок 1) значения показателей качества масла (Х|) откладываются на оси абсцисс, значения доли уграченного ресурса масла (Рч) -на оси ординат. На основе полученных знаний установлено наличие двух областей состояния масла: область (иРм'), описанная диапазоном величин (Х|) измеряемого показателя (¡), в пределах которых вероятность необратимого ухудшения качества масел является минимальной и практически постоянна (индукционный период), и область (диР„'), описываемая промежутком времени, в течение которого нарастает вероятность необратимого ухудшения качества масла.
!>»»* Точкой (X) на оси абсцисс графика является
значение показателя качества масла (¡),
( указывающее на завершение индукционного
периода. Исходя из кинетики окислительного
- ! " ! " процесса и состава, образующихся в масле
■ к,,4 »!,„.,«„ продуктов окисления следует, что
5 индикативностыо к процессам старения масел
Рисунок 1 - Изменение вероятности ухудшения обладают следующие показатели качества: показателей качества масла, характеризующих
кислотное число (далее КЧ),
его утраченный ресурс.
Рм - вероятная доля утраченного ресурса, шмсрястся в ВОДОрЭСТВОрИМЫе КИСЛОТЫ И ЩеЛОЧИ (далее
дКЩ), содержание антиокислительнои
показателя качества масла, ичмсрястся в единицах ' *
применительно К виду измерения; 1 - наименование присадки агидол-1 (далее Присадка), тангенс
показателя качества масла, 1 с (0 -ь т); т - множество
показателен качества масла (т=4). ДИЭЛеКТрнчеСКИХ ПОТврЬ МЭСЛа (далее 7^(5,„).
Для оценки степени старения масла подобран метод измерения противоокислительной стабильности (далее Стабильность) по ГОСТ 981-75.
Силовые трансформаторы напряжением 35 и 110 кВ являются конструктивно различными электрическими аппаратами, однако, происходящие процессы термоокислительного старения залитых масел одинаковы для трансформаторов всех классов напряжения. Непараметрический метод Манна-Уитни позволит доказать вышеуказанное утверждение. Для проведения обязательного априорного анализа подобран одномерный непараметрический метод «ящика с усами». В случае наличия существенной асимметрии изучаемых признаков для корректного применения корреляционно-регрессионного анализа предложено проводить математическое преобразование входных данных логарифмированием и/или извлечением квадратного корня. Для построения
модели взаимосвязи показателей качества и степени старения масла определен метод корреляционно-регрессионного анализа, в процессе которого оценивается теснота взаимосвязи с применением шкалы Чедцока. С целью характеристики аналитического вида вышеуказанной зависимости следует провести построение уравнения регрессии с помощью регрессионного анализа. Подходящим для выявления эффектов взаимодействия является дисперсионный анализ.
В ходе проведения статистической обработки результатов исследований представим степень старения масел посредством категориальных переменных: удовлетворительная и неудовлетворительная Стабильность. Исходя из заданных условий представления результатов измерений, в качестве методов, позволяющих установить правила классификации трансформаторов на группы по классу противоокислительной стабильности выбраны три: деревья классификаций, дискриминантный анализ, логистическая регрессия. Проверку значимости различий значений факторов (показателей качества масла и возраста) в группах трансформаторов с разной стабильностью масла проведем с применением ящичных диаграмм. При ассиметричном распределении факторов, наличии квазивыбросов и выбросов в данных, значимость различий показателей качества масла для разных классов стабильности следует проверять на основе медианных значений с доверительными интервалами (медианы более устойчивы к выбросам).
В третьей главе представлены экспериментальные данные, их анализ и основанные на полученных данных заключения. В ходе априорного анализа с помощью и-критерия Манна-Уитни доказано, что процессы окисления, протекающие в маслах, не зависят от конструктивных особенностей силовых трансформаторов. Соответственно, допустимо все силовые трансформаторы 35 и 110 кВ объединить в одну общую совокупность для дальнейшего моделирования зависимости откликов (противоокислительная стабильность масла: кислотное число окисленного масла (далее КЧОМ) и осадок образованный после окисления (далее Осадок)) от факторов (возраст трансформатор (далее Возраст), КЧ, ВКЩ, TgSЛI„ Присадки). В ходе проведенных исследований доказано наличие взаимосвязи между факторами