Текст книги "Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций"

А. И. Хальясмаа
Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций

Введение

На сегодняшний день экономическое состояние энергетики России вынуждает принимать меры по увеличению сроков эксплуатации различного электротехнического оборудования.

В России в настоящее время общая протяженность электрических сетей напряжением 0,4–110 кВ превышает 3 млн км, а трансформаторная мощность подстанций (ПС) и трансформаторных пунктов (ТП) – 520 млн кВА. Стоимость основных фондов сетей составляет около 200 млрд руб., а степень их износа – около 40 %. За 90-е годы резко сократились объемы строительства, технического перевооружения и реконструкции ПС [1], и только последние несколько лет вновь наметилась некоторая активность в этих направлениях.

Решение задачи по оценке технического состояния электротехнического оборудования электрических сетей в значительной мере связано с внедрением эффективных методов инструментального контроля и технической диагностики. Кроме того, оно необходимо и обязательно для безопасной и надежной работы электрооборудования.

1. Основные понятия и положения технической диагностики

Экономическая ситуация, сложившаяся в последние годы в энергетике, заставляет принимать меры, направленные на увеличение сроков эксплуатации различного оборудования. Решение задачи по оценке технического состояния электротехнического оборудования электрических сетей в значительной мере связано с внедрением эффективных методов инструментального контроля и технической диагностики [2].

Техническое диагностирование (с греч. «распознавание») – это аппарат мероприятий, который позволяет изучать и устанавливать признаки неисправности (работоспособности) оборудования, устанавливать методы и средства, при помощи которых дается заключение (ставится диагноз) о наличии (отсутствии) неисправности (дефекта). Другими словами, техническая диагностика позволяет дать оценку состояния исследуемого объекта. Такая диагностика направлена в основном на поиск и анализ внутренних причин неисправности оборудования. Наружные причины определяются визуально [3].

Согласно ГОСТ 20911–89, техническая диагностика определяется как «область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов». Объект, состояние которого определяется, называется объектом диагностирования (ОД), а процесс исследования ОД – диагностированием.

Основной целью технической диагностики являются в первую очередь распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации, и как следствие, повышение надежности и оценка остаточного ресурса системы (оборудования). В связи с тем, что различные технические системы имеют различные структуры и назначения, нельзя ко всем системам применять один и тот же вид технической диагностики.

Условно структура технической диагностики для любого типа и назначения оборудования представлена на рис. 1. Она характеризуется двумя взаимопроникающими и взаимосвязанными направлениями: теорией распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания изучает алгоритмы распознавания применительно к задачам диагностики, которые обычно могут рассматриваться как задачи классификации. Алгоритмы распознавания в технической диагностике частично основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов. Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений.

Контролеспособностью называется свойство изделия обеспечивать достоверную оценку его технического состояния и раннее обнаружение неисправностей и отказов. Основной задачей теории контролеспособности является изучение средств и методов получения диагностической информации [4].

Рис. 1. Структура технической диагностики

Применение (выбор) вида технической диагностики определяется следующими условиями:

1) назначением контролируемого объекта (сфера использования, условия эксплуатации и т. д.);

2) сложностью контролируемого объекта (сложностью конструкции, количеством контролируемых параметров и т. д.);

3) экономической целесообразностью;

4) степенью опасности развития аварийной ситуации и последствий отказа контролируемого объекта.

Состояние системы описывается совокупностью определяющих ее параметров (признаков), при диагностировании системы они называются диагностическими параметрами. При выборе диагностических параметров приоритет отдается тем, которые удовлетворяют требованиям достоверности и избыточности информации о техническом состоянии системы в реальных условиях эксплуатации. На практике обычно используют несколько диагностических параметров одновременно. Диагностическими параметрами могут являться параметры рабочих процессов (мощность, напряжение, ток и др.), сопутствующих процессов (вибрация, шум, температура и др.) и геометрические величины (зазор, люфт, биение и др.). Количество измеряемых диагностических параметров также зависит от типов приборов для диагностики системы (которыми производится сам процесс получения данных) и степени развитости методов диагностирования. Так, например, число измеряемых диагностических параметров силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов может достигать 38, масляных выключателей – 29, элегазовых выключателей – 25, ограничителей перенапряжения и разрядников – 10, разъединителей (с приводом) – 14, маслонаполненных измерительных трансформаторов и конденсаторов связи – 9 [5].

В свою очередь диагностические параметры должны обладать следующими свойствами:

1) чувствительностью;

2) широтой изменения;

3) однозначностью;

4) стабильностью;

5) информативностью;

6) периодичностью регистрации;

7) доступностью и удобством измерения.

Чувствительность диагностического параметра – это степень изменения диагностического параметра при варьировании функционального параметра, т. е. чем больше значение этой величины, тем чувствительнее диагностический параметр к изменению функционального параметра.

Однозначность диагностического параметра определяется монотонно возрастающей или убывающей зависимостью его от функционального параметра в диапазоне от начального до предельного изменения функционального параметра, т. е. каждому значению функционального параметра соответствует одно-единственное значение диагностического параметра, а, в свою очередь, каждому значению диагностического параметра соответствует одно-единственное значение функционального параметра.

Стабильность устанавливает возможную величину отклонения диагностического параметра от своего среднего значения при многократных измерениях в неизменных условиях.

Широта изменения – диапазон изменения диагностического параметра, соответствующий заданной величине изменения функционального параметра; таким образом, чем больше диапазон изменения диагностического параметра, тем выше его информативность.

Информативность – это свойство диагностического параметра, которое при недостаточности или избыточности может снизить эффективность самого процесса диагностики (достоверность диагноза).

Периодичность регистрации диагностического параметра определяется, исходя из требований технической эксплуатации и инструкций заводаизготовителя, и зависит от скорости возможного образования и развития дефекта.

Доступность и удобство измерения диагностического параметра на прямую зависят от конструкции объекта диагностирования и диагностического средства (прибора).

В различной литературе можно найти разные классификации диагностических параметров, в нашем случае для диагностики электрооборудования мы будем придерживаться типов диагностических параметров, представленных в источнике [6].

Диагностические параметры подразделяются на три типа:

1. Параметры информационного вида, представляющие объектную характеристику;

2. Параметры, представляющие текущую техническую характеристику элементов (узлов) объекта;

3. Параметры, представляющие собой производные нескольких параметров.

К диагностическим параметрам информационного вида относятся:

1. Тип объекта;

2. Время ввода в эксплуатацию и период эксплуатации;

3. Ремонтные работы, проводимые на объекте;

4. Технические характеристики объекта, полученные при испытании на заводе-изготовителе и/или при вводе в эксплуатацию.

Диагностическими параметрами, представляющими текущую техническую характеристику элементов (узлов) объекта, чаще всего являются параметры рабочих (иногда сопутствующих) процессов.

К диагностическим параметрам, представляющим собой производные нескольких параметров, относятся, прежде всего, такие как:

1. Максимальная температура наиболее нагретой точки трансформатора при любой нагрузке;

2. Динамические характеристики или их производные.

Во многом выбор диагностических параметров зависит от каждого конкретного типа оборудования и метода диагностирования, используемого для этого оборудования.

2. Концепция и результаты диагностики

Современную диагностику электрооборудования (по назначению) условно можно разделить на три основных направления:

1. Параметрическая диагностика;

2. Диагностика неисправностей;

3. Превентивная диагностика.

Параметрическая диагностика – это контроль нормируемых параметров оборудования, обнаружение и идентификация их опасных изменений. Используется она для аварийной защиты и управления оборудованием, а диагностическая информация содержится в совокупности отклонений величин этих параметров от номинальных значений.

Диагностика неисправностей – это определение вида и величины дефекта после регистрации факта появления неисправности. Такая диагностика является частью работ по обслуживанию или ремонту оборудования и выполняется по результатам контроля его параметров.

Превентивная диагностика – это обнаружение всех потенциально опасных дефектов на ранней стадии развития, наблюдение за их развитием и на этой основе долгосрочный прогноз состояния оборудования [7].

Современные системы диагностирования включают в себя все три направления технической диагностики, чтобы сформировать наиболее полную и достоверную оценку состояния оборудования.

Таким образом, к результатам диагностики можно отнести:

1. Определение состояния диагностируемого оборудования (оценка состояния оборудования);

2. Выявление вида дефекта, его масштабы, место расположения, причин появления, что служит основой для принятия решения о последующей эксплуатации оборудовании (выводе в ремонт, дополнительном обследовании, продолжении эксплуатации и т. п.) или о полной замене оборудования;

3. Прогноз о сроках последующей эксплуатации – оценка остаточного ресурса работы электрооборудования.

Следовательно, можно сделать вывод, что для предупреждения образования дефектов (или выявления на ранних стадиях образования) и поддержания эксплуатационной надежности оборудования необходимо применять контроль оборудования в виде системы диагностики.

По общей классификации, все методы диагностирования электрооборудования можно разделить на две группы, также называемые методами контроля: методы неразрушающего и разрушающего контроля. Методы неразрушающего контроля (МНК) – методы контроля материалов (изделий), не требующие разрушения образцов материала (изделия). Соответственно, методы разрушающего контроля – методы контроля материалов (изделий), требующие разрушения образцов материала (изделия).

Все МНК в свою очередь также подразделяются на методы, но уже в зависимости от принципа работы (физических явлений, на которых они основаны). Ниже представлены основные МНК, согласно ГОСТ 18353–79, наиболее часто применяемые для электротехнического оборудования:

1) магнитный,

2) электрический,

3) вихретоковый,

4) радиоволновой,

5) тепловой,

6) оптический,

7) радиационный,

8) акустический,

9) проникающими веществами (капиллярный и течеискания).

Внутри каждого вида методы также классифицируют по дополнительным признакам.

Дадим каждому методу МНК четкие определения, используемые в нормативной документации.

Магнитные методы контроля , согласно ГОСТ 24450–80, основаны на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, или на определении магнитных свойств контролируемых изделий.

Электрические методы контроля , согласно ГОСТ 25315–82, основаны на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контрольным объектом, или поля, возникающего в контрольном объекте в результате внешнего воздействия.

По ГОСТ 24289–80, вихретоковый метод контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля этим полем.

Радиоволновой метод контроля – метод неразрушающего контроля, основанный на анализе взаимодействия электромагнитного излучения радиоволнового диапазона с объектом контроля (ГОСТ 25313–82).

Тепловые методы контроля , согласно ГОСТ 53689–2009, основаны на регистрации тепловых или температурных полей объекта контроля.

Визуально-оптические методы контроля , согласно ГОСТ 24521–80, основаны на взаимодействии оптического излучения с объектом контроля.

Радиационные методы контроля основаны на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом (ГОСТ 18353–79).

Акустические методы контроля основаны на применении упругих колебаний, возбуждаемых или возникающих в объекте контроля (ГОСТ 23829–85).

Капиллярные методы контроля , согласно ГОСТ 24521–80, основаны на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных и сквозных несплошностей материала объектов контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом или с помощью преобразователя.

3. Дефекты электрооборудования

Оценка технического состояния электрооборудования является важнейшим элементом всех основных аспектов эксплуатации электростанций и подстанций [8]. Одной из ее основных задач является выявление факта исправности или неисправности оборудования.

Принято считать исправным оборудование, состояние которого соответствует всем установленным нормативными документами требованиям, в противном случае – неисправным.

Переход изделия из исправного состояния в неисправное происходит вследствие дефектов. Слово дефект употребляется для обозначения каждого отдельного несоответствия оборудования.

Дефекты в оборудовании могут возникать в разные моменты его жизненного цикла: при изготовлении, монтаже, настройке, эксплуатации, испытаниях, ремонте – и иметь различные последствия [9].

Видов дефектов, точнее их разновидностей, электротехнического оборудования много. Так как знакомство с видами диагностики электрооборудования в пособии начнется с тепловизионной диагностики, то будем пользоваться градацией состояния дефектов (оборудования), чаще применимой при ИК-контроле. Обычно выделяют четыре основные категории или степени развития дефекта:

1. Нормальное состояние оборудования (дефекты отсутствуют);

2. Дефект в начальной стадии развития (наличие такого дефекта не оказывает явного влияния на работу оборудования);

3. Сильно развитый дефект (наличие такого дефекта ограничивает возможность эксплуатации оборудования или сокращает его жизненный срок);

4. Дефект в аварийной стадии развития (наличие такого дефекта делает эксплуатацию оборудования невозможной или недопустимой).

Как следствие выявления таких дефектов, в зависимости от степени их развития, принимаются следующие возможные решения (мероприятия) по их устранению:

1. Заменить оборудование, его часть или элемент;

2. Выполнить ремонт оборудования или его элемента (после этого провести дополнительное обследование для оценки качества выполненного ремонта);

3. Оставить в эксплуатации, но уменьшить время между периодическими обследованиями (учащенный контроль);

4. Провести другие дополнительные испытания.

При выявлении дефектов и принятии решений по дальнейшей эксплуатации электротехнического оборудования не стоит забывать и о вопросе достоверности и точности полученной информации о состоянии оборудования.

Любой метод НК не обеспечивает полной достоверности оценки состояния объекта. Результаты измерений включают в себя ошибки, поэтому всегда существует вероятность получения ложного результата контроля:

– исправный объект будет признан негодным (ложный дефект или ошибка первого рода);

– неисправный объект будет признан годным (обнаруженный дефект или ошибка второго рода).

Ошибки при НК приводят к различным последствиям: если ошибки первого рода (ложный дефект) только увеличивают объем восстановительных работ, то ошибки второго рода (необнаруженный дефект) влекут за собой аварийное повреждение оборудования [10].

Стоит заметить, что при любом виде НК можно выделить ряд факторов, влияющих на результаты измерений или анализ полученных данных. Условно можно разделить эти факторы на три основные группы:

1. Окружающая среда;

2. Человеческий фактор;

3. Технический аспект.

К группе «окружающая среда» можно отнести такие факторы, как метеоусловия (температура воздуха, влажность, облачность, сила ветра и т. д.), время суток.

Под «человеческим фактором» понимают квалификацию персонала, профессиональное знание оборудования и грамотное проведение непосредственно самого тепловизионного контроля.

«Технический аспект» подразумевает под собой информационную базу о диагностируемом оборудовании (материал, паспортные данные, год выпуска, состояние поверхности и т. д.).

На самом деле факторов, влияющих на результат методов НК и анализа данных методов НК, гораздо больше, чем перечислено выше. Но эта тема представляет отдельный интерес и так обширна, что достойна выделения в отдельную книгу.

Именно по причине возможности допущения ошибок по каждому виду НК существует своя нормативная документация, регламентирующая назначение методов НК, процедуру проведения НК, средства НК, анализ результатов НК, возможные виды дефектов при НК, рекомендации по их устранению и т. д.

Далее в пособии будут рассмотрены основные методы НК для электротехнического оборудования согласно классификации ГОСТ 18353–79. Ниже в таблице представлены основные нормативные документы, которыми необходимо руководствоваться при проведении диагностики с помощью основных методов неразрушающего контроля.

Таблица 1

Нормативная документация

4. Тепловые методы контроля

4.1. Тепловые методы контроля: основные термины и назначение

Тепловые методы контроля (ТМК) основаны на измерении, оценке и анализе температуры контролируемых объектов. Главным условием применения диагностики с помощью тепловых МНК является наличие в диагностируемом объекте тепловых потоков.

Температура – самое универсальное отражение состояния любого оборудования. При практически любом, отличном от нормального режиме работы оборудования изменение температуры является самым первым показателем, указывающим на неисправное состояние. Температурные реакции при разных режимах работы в силу своей универсальности возникают на всех этапах эксплуатации электротехнического оборудования [11].

Инфракрасная диагностика является наиболее перспективным и эффективным направлением развития в диагностике электрооборудования. Она обладает рядом достоинств и преимуществ по сравнению с традиционными методами испытаний, а именно:

1) достоверность, объективность и точность получаемых сведений;

2) безопасность персонала при проведении обследования оборудования;

3) отсутствие необходимости отключения оборудования;

4) отсутствие необходимости подготовки рабочего места;

5) большой объем выполняемых работ за единицу времени;

6) возможность определения дефектов на ранней стадии развития;

7) диагностика большинства типов подстанционного электрооборудования;

8) малые трудозатраты на производство измерений на единицу оборудования.

Применение ТМК основано на том, что наличие практически всех видов дефектов оборудования вызывает изменение температуры дефектных элементов и, как следствие, изменение интенсивности инфракрасного (ИК) излучения, которое может быть зарегистрировано тепловизионными приборами [12].

ТМК для диагностики электротехнического оборудования на электрических станциях и подстанциях может использоваться для следующих видов оборудования:

1) силовых трансформаторов и их высоковольтных вводов;

2) коммутационного оборудования: силовых выключателей, разъединителей;

3) измерительных трансформаторов: трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН);

4) разрядников и ограничителей перенапряжения (ОПН);

5) ошиновки распределительных устройств (РУ);

6) изоляторов;

7) контактных соединений;

8) генераторов (лобовых частей и активной стали);

9) линий электропередачи (ЛЭП) и их конструктивных элементов (например, опоры ЛЭП) и т. д.

ТМК для высоковольтного оборудования как один из современных методов исследования и контроля был введен в «Объем и нормы испытаний электрооборудования РД 34.45–51.300–97» в 1998 году, хотя во многих энергосистемах применялся намного раньше [13].