Анализ методик и подходов к проблеме диагностирования технического состояния сетей электроснабжения
 Скачать 76.06 Kb.
|
|
Надёжностьидиагностированиетехническогосостоянияэлектроэнергетических... УДК 621.331 АНАЛИЗ МЕТОДИК И ПОДХОДОВ К ПРОБЛЕМЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯС.В. Ершов, А.М. Дмитриев Проведен анализ существующих методов и способов диагностирования сис-тем электроснабжения. Определены основные достоинства и недостатки сущест-вующихметодов. Ключевые слова: электроснабжение, диагностика сетей, надежность элек-троснабжения,диагностическийкомплекс,проектирование. Сети электроснабжения промышленных предприятий являются со- ставной частью электроэнергетических систем. Для систем электроснаб- жения характерны те же особенности, что и для электроэнергетических систем. Как и для электроэнергетических систем, им необходима безотказ- ность, которая определяет эффективность их функционирования. С учетом определения параметров безотказности может быть выполнена оценка технико-экономических показателей системы электроснабжения [1]. Должная эффективность функционирования систем электроснаб- жения достигается введением необходимых резервов мощностей источни- ков питания и увеличения безотказности электрооборудования, т.е. повы- шением показателей качества оборудования, ликвидацией на стадии про- ектирования источников вероятных аварий, способных привести к его от- казам и длительным простоям технологического комплекса [2]. Еще одним способом повышения стабильности и бесперебойности электроснабжения электроприемников является прогнозирование отказов энергетического оборудования во время его эксплуатации. Эффективность функционирования системы электроснабжения на- ходится в зависимости от безотказности отдельного его элемента [3]. При поддержании в период работы безотказности элементов на требуемом тех- ническом уровне высокий уровень безотказности будет иметь и сама сис- тема. Причинами возникновения отказов служат внутренние и внешние возмущающие факторы. Последствиями отказов будут являться экономи- ческие потери, вызванные восстановлением поврежденного оборудования и нарушением технологического процесса [4]. Эффективность функциони- рования системы электроснабжения будет иметь максимальный уровень при меньших потерях. В работе [2] дается расчет надежности систем электроснабжения с восстановлением и выполнен анализ эксплуатационных данных по пока- зателям надежности. При рассмотрении концепции монотонных структур с учетом их вероятностного анализа авторы [3] анализируют распределе- ния по возрастающей и убывающей интенсивности отказов. Это позволяет им определять резервирование и периодичность профилактик. Некоторые положения эксплуатационной надежности систем представлены в [1]. В этой же работе выполнен расчет показателей надежности. В работе [2] да- ется оценка стабильности работы системы электроснабжения и ее элемен- тов, а также производится расчет надежности на основе структурного ана- лиза. Практические аспекты теории надежности, теории экспертного ана- лиза и оптимального поиска приводятся в [2]. Первый, кто определил безотказность электрооборудования, был профессор Якуб Б.М. Один из показателей надежности электрооборудова- ния может выступать отношение времени работы к сумме непосредствен- ного времени работы и аварийных простоев. Этот показатель определяет заложенную способность оборудования достигать непрерывность в работе при стабильном характере использования и эксплуатации и имеет назва- ние коэффициента готовности. Автор [2] при расчетах надежности учиты- вает только количество аварий электрооборудования в год, не учитывая при этом его наработки на отказ и время восстановления. Таким образом, подобная методика не дает полного анализа функционирования электро- оборудования. Надежность электрооборудования – это комплексное свой- ство, зависящее от большого количества факторов. Для выполнения анали- за нужно знать законы распределения наработок на отказ и зависимости времени восстановления оборудования и отказа [3, 4]. С повышением качества систем электроснабжения были введены параметры частоты α(t) и интенсивности t) отказов [5], в то же время час- тота отказов оборудования в большей степени определяется условиями эксплуатации [6]. В роли математической модели работы оборудования могут высту- пать наработка на отказ и среднее время восстановления, что дает возмож- ность определять безотказность, долговечность и ремонтопригодность оборудования [2]. Тем не менее, в представленной модели отсутствует комплексный параметр надежности, что в ряде случаев будет являться ее недостатком. В [2] в качестве комплексного показателя предлагается ис- пользовать вероятности работы и восстановления оборудования при отка- зах. Эксплуатация электрооборудования приводит к постепенному его износу и вследствие этого к необходимости его периодического ремонта. Для разработки эффективных систем профилактических мероприятий, контроля, испытаний, диагностики, текущих и капитальных ремонтов нужно определение причин отказов электрооборудования [2].Для того чтобы обеспечить требуемый уровень безотказности систем, авторы [3] вводят в расчеты время профилактических ремонтов. Сокращение про- должительности периода ремонта увеличивает время безотказного функ- ционирования оборудования, приводя к увеличению вероятность работы оборудования при дальнейшей эксплуатации [4, 5]. Тем не менее, как и любой способ увеличения безотказности работы оборудования, он требует дополнительных капитальных затрат. Организация по снижению уровня процессов старения систем и достижение их безотказности требуют изме- нения существующих методик и способов, а также разработки совершенно нового подхода - применения моделей и методик системного анализа, про- цедур выбора мероприятий для эффективного планирования технического обслуживания, определения неисправностей и дефектов, плановой орга- низации ремонтов. Задачи определения оптимальных параметров перио- дичности ремонтных работ, наработки на отказ, определения технического состояния оборудования целесообразно решать на одной методической основе с задачами диагностирования. Это дает возможность делать вероятностное прогнозирование отка- зов элементов и аппаратов систем электроснабжения [2]. На основе стати- ческих данных определяются функции распределения отказов элементов. Предложенная модель дает возможность определять с вероятностью 95 % число отказов в конкретный месяц, сезон или в течение года. Для прогно- зирования отказов, расчета параметров электропотребления и ремонта применяется закон Н-распределения, что дает возможность учитывать изменяющиеся условия при введении новых элементов системы [3]. Рас- пределение электрооборудования по мощности позволяет осуществлять распределение по числу отказов. Данный метод прогнозирования отказов также базируется на обработке статистической информации. Его недостат- ком является зависимость точности прогнозов и оценок от полноты стати- стического материала. Другим подходом повышения безотказности электрооборудования может служить использование методов и средств технической диагностики [4]. Он дает возможность анализировать работоспособность системы с ис- пользованием диагностических моделей. Так, в работе [5] приведены сред- ства технической диагностики, выполнена оценка ее эффективности. В [4] подробно рассматриваются вопросы конструирования оптимальных диаг- ностических систем. Техническая диагностика направлена на то, чтобы по- высить надежность основных сетей электроснабжения путем выполнения тщательного обследования для объективного определения текущего со- стояния, в котором находится обследуемый объект. Прежде всего, это ка- сается силового электрооборудования. Поэтому основной целью диагно- стирования технического состояния является выявление дефектов электро- оборудования 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] Алек- сеевым Б.А. определены дефекты электрооборудования, проявляющиеся во время работы, их признаки, средства и способы выявления. А в работе перечислены возможности повышения безотказности систем электро- снабжения при использовании эффективных методов контроля состояния и диагностирования. В работе [3] приведен алгоритм определения работо- способности трансформаторов, приведены структурная схема автоматизи- рованной системы контроля их состояния и принцип автоматизации при- нятия решений. Увеличивающееся количество оборудования, исчерпавшего свой максимальный ресурс работы, в сочетании с негативными внешними воз- действиями (перегрузки, перенапряжения, короткие замыкания и т.д.) при- водит к росту отказов. В таких условиях применение эффективной диаг- ностики состояния электрооборудования является актуальной задачей. Так, в [3] предложено создание локальной системы диагностики электрообору- дования. Приведены организационные мероприятия и, предложены техни- ческие решения в виде концептуальной стратегии выявления и прогнози- рования 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 и может стать основой для реализации системного решения при оценке состояния силовых трансформаторов, реакторов и других элементов сис- тем электроснабжения. Принцип системного подхода реализован в схеме создания (модульность, открытость) и в технологии ее применения (учет текущей информации, даже весьма нечеткой, об объекте на промежуточ- ном этапе его жизненного цикла). Информационно-нормативная база сис- темы приведена в работах [3-4]. При этом работоспособность информаци- онной системы достигается даже при одном реально используемом в энер- госистеме виде испытаний. Если их осуществляется два и более, проводит- ся комплексный анализ, когда оцениваются данные, получаемые из разных источников, в различные периоды времени по отношению к разным узлам электроснабжения. Характеристика состояния объекта может быть пред- ставлена в виде так называемой «линии жизни», которая может быть при- ведена 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 соот- ветствие каждого параметра своим краевым значениям, выход за которые характеризует определенное неблагополучие в состоянии объекта. Нерав- номерность доверительного интервала (периода) около линии жизни явля- ется признаком степени точности оценки состояния. Широкий диапазон свидетельствует о малом числе испытаний или завершении периодов их актуальности на соответствующий временной промежуток, узкий - о свое- временности и необходимом количестве проведенного обслуживания. По результатам анализа даются рекомендации о дальнейших эксплуатацион- ных действиях. Тем не менее, в этом подходе не разделены методы и средства технического контроля по уровню достоверности контролируе- мых параметров, что является его недостатком. Система комплексной диагностики относится к классу информаци- онно- измерительных систем [6], так как в этом случае обязательно при- сутствуют измерительные преобразования, совокупность которых состав- ляет 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 нерабо- тоспособном. Поэтому одними из задач систем комплексной диагностики являются установление работоспособности элемента и выявление неис- правностей. Отсюда следуют основные этапы реализации системы ком- плексной диагностики: определение состояний элементов объекта диагно- стики контролируемых величин, сбор и анализ необходимых статистиче- ских данных; математическое моделирование объекта и разработка алго- ритма проверки объекта; построение структуры диагностической системы. Элементы, подвергающиеся диагностированию, как правило, не- доступны для визуального наблюдения, что требует проведения процеду- ры 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. По- следовательный поиск связан с анализом результатов ведущейся проверки и принятием решения на продолжение процедуры проверки. В зависимости от конечной цели диагностирования различают ди- агностические и прогнозирующие системы комплексной диагностики. Ди- агностические системы предназначены для установления наличия неис- правности и локализации места неисправности. Прогнозирующие системы комплексной диагностики по результатам предварительных проверок про- гнозируют поведение объекта в будущем. Поэтому особый интерес вызы- вают прогнозирующие системы технической диагностики [4,5]. Прогнози- рование - одна из самых перспективных, но при этом и самых сложных, методов анализа. Метод прогнозирования в общем случае сводится к про- ведению 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 элек- троснабжения. В системах электроснабжения случаи мгновенного разви- тия 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 ситуа- ция, но на определенных режимах работы оборудования; дефект развива- ется значительно быстрее, в результате чего срабатывает защита или воз- никает 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 без- отказного функционирования и безопасной работы оборудования [4,5]. Необходимость прогнозирования возникновения дефектов элементов, оценка возможности эксплуатации в условиях неполноты и неопределен- ности информации о техническом состоянии оборудования, является зна- чительно влияющим фактором. Одним из возможных способов прогнози- рования в условиях неопределенности исходных данных является вероят- ностный метод [2,3]. Для определения вероятности отказов при проявле- ниях 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; кри- тические 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 об- щем 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 эф- фективности функционирования систем электроснабжения. Все многооб- разие методик и средств комплексной диагностики по способу воздейст- вия на объект [3,4,5] может быть разделено на 3 вида: тестовая диагности- ка; функциональная; комбинированная диагностика (рис. 1). Одним из характерных признаков тестовой диагностики является формирование требуемых возмущений в объекте диагностики. Другим ха- рактерным признаком является то, что исследование объекта в данном случае осуществляется только после вывода его из эксплуатации (напри- мер, при проведении плановых ремонтов). Методы диагностики этой груп- пы являются на данный момент традиционными для силового электрообо- рудования, т.к. в течение длительного времени они являлись основными источниками данных об исследуемых объектах электроэнергетики. Так, определение сопротивления изоляции обмоток относится к ви- ду контроля при выводе оборудования в ремонт [4]. Этим методом эффек- тивно определяются [2,3,4]: местные нарушения изоляции; загрязнения изоляции; повреждения изоляции; проникновение в изоляционный проме- жуток токопроводящих проводников (металлической стружки, следов от графита и т.д.); уровень увлажнения изоляции [3].  Рис.1.Классификацияметодиккомплекснойдиагностики Для общей оценки вероятностного состояния изоляции обычно ис- пользуется показатель тангенса угла диэлектрических потерь [2,3]. Еще один способ определения состояния изоляции маслонаполнен- ного 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 значе- ние квадрата разностей значений параметров, измеренных во время испы- таний, и эталонных. Адекватность обнаружения дефектов определяется корректностью составления модели самого дефекта. Достоверность выяв- ления дефектов оборудования по результатам хроматографичеих испыта- ний газов в [4] предлагается увеличить на основе метода Байеса [4]. При использовании данного метода вероятности всех возможных исходов ис- следования объединяются с гипотезами, известными до проведения экспе- римента, и затем вычисляется вероятность того, что данные гипотезы подтверждаются ходом эксперимента. В последние годы вместе с традиционными широкое распростране- ние получают и новые методы тестовой диагностики, такие, как метод низковольтных импульсов [4]. Сущность его состоит в том, что при пита- нии одной из обмоток силового трансформатора прямоугольным им- пульсным напряжением величиной 100500 В переходные импульсы тока на других обмотках регистрируются при помощи осциллограмм. По изме- нениям, 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 не- достаткам этих методов относятся низкая информативность и требование вывода оборудования из эксплуатации. К следующей группе относят методы функциональной диагности- ки. Их отличие заключается в том, что они позволяют провести исследова- ние электрооборудования во время его эксплуатации, производить дистан- ционное диагностирование и осуществлять оперативное управление со- стоянием объекта исследования. В настоящее время нашли применение перечисленные ниже методы функциональной диагностики: метод выявления источников внутреннего выделения газов с по- мощью акустических датчиков [4]. Дает возможность определять наличие источника внутреннего выделения газов я, обрыв проводников заземления в активной части трансформатора. Преимуществом данного метода явля- ются простота, а, значит, и невысокая стоимость оборудования для диагно- стики. К недостаткам метода можно отнести зависимость отклонения ре- зультатов от внешних помех. Кроме того, при применении акустических датчиков возможно определение лишь примерного местоположения веро- ятностного дефекта, связанного с обильным выделением газов; тепловизионный метод, заключающийся в применении совре- менных тепловизионных систем, дает возможность получать тепловую картину объекта исследования [3,4] 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 по- следовательности [2,3]. Этот метод диагностики состоит в контроле за со- стоянием обмоток посредством проведения электрических измерений. Его основное достоинство — постоянный контроль за величинами указанных электрических параметров. К недостаткам метода относится низкая ин- формативность, т.к. при некоторых обстоятельствах деформации обмоток трансформатора могут не приводить к изменениям измеряемых парамет- ров; метод диагностики трансформаторов по вибрационным парамет- рам. Он основан на качественной и количественной характеристике вибра- ции 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 про- вести технический анализ существующих диагностических комплексов. Список литературы1.Алексеев Б. А. Контроль состояния (диагностика) крупных сило- вых трансформаторов. М.: НЦ ЭНАС, 2002. 216 с. 2.Испытание мощных трансформаторов и реакторов / Г. В. Алек- сенко. М.: Энергия 1978. 254 с. [и др.] 3.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. Беркович Я. Д. О диагностике энергетического оборудования // 4.Электрические станции. 1989. № 6. С. 16-20. 5.Биргер И. А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. 239 с. 6.Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машинострое- ние, 1990. 448 с. 7.Верзаков Г. Ф. Введение в техническую диагностику / под. общ. ред. К. Б. Карандеева. М.: Энергия, 1962. 224 с. ЕршовСергейВикторович,канд.техн.наук,проф.,доц.,erschov.serrg@mail.ru, Россия,Тула,Тульскийгосударственныйуниверситет, ДмитриевАнтонМихайлович,магистр,kafelene@rambler.ru. Россия,Тула,Тульскийгосударственныйуниверситет THEANALYSISOFMETHODSANDAPPROACHESTOTHEPROBLEM OFDIAGNOSINGTHETECHNICALCONDITIONOFPOWERSUPPLYNETWORKS S.V.Ershov,A.M.Dmitriev The analysis of existing methods and ways of diagnosing of power supply systemswasmade. Keystrengths and weaknessesof existingmethods aremade. Key words: power supply, network diagnostics, reliability of power supply, diagnos-ticcomplexdesign Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical sciences, docent, er-schov.serrg@mail.ru,Russia, Tula, Tula StateUniversity, Dmitriev Anton Mikhailovich, magister, kafelene@rambler.ru, Russia, Tula, TulaStateUniversity УДК 621.331 ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯС.В. Ершов, Б.А. Жабин Рассмотрены методы и модели анализаэлектрических сетей, в которых воз-никают провалы напряжения. В основу методики определения параметров напряже-нияположенкомбинированный способ. Ключевые слова: электроснабжение, напряжение, провал напряжения, моде-лирование,проектирование. Обычно провалом напряжения называют кратковременное сниже- ние или полную потерю напряжения. С физической точки зрения это озна- чает, что требуемая энергия не поступает к нагрузке. Такое явление может привести к серьезным последствиям. Параметрами провала напряжения являются его длительность tп и величина остаточного напряжения Uп, выражаемая в процентах от номинального (рис.1). В большинстве случаев падением напряжения будет являться относительно длительное его сниже- ние. Такой способ применяют для уменьшения нагрузки в периоды макси- мума потребления энергии или уменьшения возможного ее наличия в сравнении со спросом. Считается, что электродвигатели, в том числе и установки с регули- руемым 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 по- тере контроля за процессами непрерывных производств чугуна. На данный момент признаны две основные причины провалов на- пряжения, а именно подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках цепи. При запуске электродвигателей, имеющих значительную мощность, пус- ковые токи могут в разы превышать номинальные. В случае расчета под- ключенного кабеля на номинальную мощность пусковые токи приводят к снижению напряжения как в питающей сети, так и на стороне нагрузки. 89 |