диагностика оборудования. Электрических станций
 Скачать 1 Mb.
|
|
ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ Учебное пособие Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Диагностика электрооборуДования электрических станций и поДстанций Учебное пособие Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов, обучающихся по направлению 140400 — Электроэнергетика и электротехника Екатеринбург Издательство Уральского университета 2015 УДК 621.311:658.562(075.8) ББК 31.277-7я73 Д44 Авторы: А. И. Хальясмаа, С. А. Дмитриев, С. Е. Кокин, Д. А. Глушков Рецензенты: директор ООО «Единая инжиниринговая компания» А. А. Костин, канд. экон. наук, проф. А. С. Семериков (директор ОАО «Екатеринбургская электро- сетевая компания») Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. А. Суворов Д44 Диагностика электрооборудования электрических станций и подстан- ций : учебное пособие / А. И. Хальясмаа [и др.]. — Екатеринбург : Изд- во Урал. ун-та, 2015. — 64 с. ISBN 978-5-7996-1493-5 В современных условиях высокого износа электросетевого оборудования оценка его технического состояния является обязательным и неотъемлемым требо- ванием организации его надежной эксплуатации. Учебное пособие предназначено для изучения методов неразрушающего контроля и технического диагностирова- ния в электроэнергетической области для оценки технического состояния электро- сетевого оборудования. Библиогр.: 11 назв. Рис. 19. Табл. 4. УДК 621.311:658.562(075.8) ББК 31.277-7я73 ISBN 978-5-7996-1493-5 © Уральский федеральный университет, 2015 3 Введение На сегодняшний день экономическое состояние энергетики России вынуждает принимать меры по увеличению сроков эксплуатации различ- ного электротехнического оборудования. В России в настоящее время общая протяженность электрических сетей напряжением 0,4–110 кВ превышает 3 млн км, а трансформаторная мощ- ность подстанций (ПС) и трансформаторных пунктов (ТП) — 520 млн кВА. Стоимость основных фондов сетей составляет около 200 млрд руб., а сте- пень их износа — около 40 %. За 90-е годы резко сократились объемы стро- ительства, технического перевооружения и реконструкции ПС [1], и только последние несколько лет вновь наметилась некоторая активность в этих на- правлениях. Решение задачи по оценке технического состояния электротехни- ческого оборудования электрических сетей в значительной мере связано с внедрением эффективных методов инструментального контроля и техни- ческой диагностики. Кроме того, оно необходимо и обязательно для без- опасной и надежной работы электрооборудования. 4 1. Основные понятия и положения технической диагностики Экономическая ситуация, сложившаяся в последние годы в энергети- ке, заставляет принимать меры, направленные на увеличение сроков экс- плуатации различного оборудования. Решение задачи по оценке техниче- ского состояния электротехнического оборудования электрических сетей в значительной мере связано с внедрением эффективных методов инстру- ментального контроля и технической диагностики [2]. Техническое диагностирование (с греч. «распознавание») — это аппа- рат мероприятий, который позволяет изучать и устанавливать признаки неисправности (работоспособности) оборудования, устанавливать мето- ды и средства, при помощи которых дается заключение (ставится диагноз) о наличии (отсутствии) неисправности (дефекта). Другими словами, техни- ческая 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 определя- ется, называется объектом диагностирования (ОД), а процесс исследования ОД — диагностированием. Основной целью технической диагностики являются в первую оче- редь 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 систе- мам применять один и тот же вид технической диагностики. Условно структура технической диагностики для любого типа и на- значения оборудования представлена на рис. 1. Она характеризуется дву- мя 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. Алго- ритмы распознавания в технической диагностике частично основываются 5 1. Основные понятия и положения технической диагностики на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов. Важной частью проблемы распознавания являются правила при- нятия решений. Контролеспособностью называется свойство изделия обеспечивать до- стоверную оценку его технического состояния и раннее обнаружение не- исправностей и отказов. Основной задачей теории контролеспособности является изучение средств и методов получения диагностической инфор- мации [4]. Техническая диагностика Теория распознавания Теория контролеспособности Алгоритмы распозна- вания Правила решения Диагности- ческие модели Диагности- ческая информация Контроль состояния Поиск неисправ- ностей Рис. 1. Структура технической диагностики Применение (выбор) вида технической диагностики определяется сле- дующими условиями: 1) назначением контролируемого объекта (сфера использования, ус- ловия 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 достоверно- сти и избыточности информации о техническом состоянии системы в ре- альных условиях эксплуатации. На практике обычно используют несколько диагностических параметров одновременно. Диагностическими параме- трами могут являться параметры рабочих процессов (мощность, напряже- ние, 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 6 Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций 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 раз- рядников — 10, разъединителей (с приводом) — 14, маслонаполненных из- мерительных трансформаторов и конденсаторов связи — 9 [5]. В свою очередь диагностические параметры должны обладать следую- щими 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 изме- нения 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 монотон- но возрастающей или убывающей зависимостью его от функциональ- ного параметра в диапазоне от начального до предельного изменения функционального параметра, т. е. каждому значению функционального параметра соответствует одно-единственное значение диагностическо- го параметра, а, в свою очередь, каждому значению диагностического параметра соответствует одно-единственное значение функционального параметра. Стабильность устанавливает возможную величину отклонения диа- гностического параметра от своего среднего значения при многократных измерениях в неизменных условиях. Широта изменения — диапазон изменения диагностического параме- тра, соответствующий заданной величине изменения функционального па- раметра; таким образом, чем больше диапазон изменения диагностическо- го параметра, тем выше его информативность. Информативность — это свойстводиагностического параметра, кото- рое при недостаточности или избыточности может снизить эффективность самого процесса диагностики (достоверность диагноза). Периодичность регистрации диагностического параметра определяет- ся, исходя из требований технической эксплуатации и инструкций завода- изготовителя, и зависит от скорости возможного образования и развития дефекта. 7 1. Основные понятия и положения технической диагностики Доступность и удобство измерения диагностического параметра на пря- мую зависят от конструкции объекта диагностирования и диагностическо- го средства (прибора). В различной литературе можно найти разные классификации диагно- стических параметров, в нашем случае для диагностики электрооборудова- ния мы будем придерживаться типов диагностических параметров, пред- ставленных 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 пара- метров. 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 техни- ческую характеристику элементов (узлов) объекта, чаще всего являются па- раметры рабочих (иногда сопутствующих) процессов. К диагностическим параметрам, представляющим собой производные нескольких параметров, относятся, прежде всего, такие как: 1. Максимальная температура наиболее нагретой точки трансформа- тора при любой нагрузке; 2. Динамические характеристики или их производные. Во многом выбор диагностических параметров зависит от каждого конкретного типа оборудования и метода диагностирования, используемо- го для этого оборудования. 8 2. Концепция и результаты диагностики Современную диагностику электрооборудования (по назначению) ус- ловно можно разделить на три основных направления: 1. Параметрическая диагностика; 2. Диагностика неисправностей; 3. Превентивная диагностика. Параметрическая диагностика — это контроль нормируемых параме- тров 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 де- фекта после регистрации факта появления неисправности. Такая диагно- стика 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 на- правления технической диагностики, чтобы сформировать наиболее пол- ную 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, при- чин появления, что служит основой для принятия решения о последующей эксплуатации оборудовании (выводе в ремонт, дополнительном обследова- нии, 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 образова- ния дефектов (или выявления на ранних стадиях образования) и поддержания эксплуатационной надежности оборудования необходимо применять контроль оборудования в виде системы диагностики 9 2. Концепция и результаты диагностики По общей классификации, все методы диагностирования электрообо- рудования можно разделить на две группы, также называемые методами контроля: методы неразрушающего и разрушающего контроля. Методы не- разрушающего 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 за- висимости от принципа работы (физических явлений, на которых они ос- нованы). 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 дополнитель- ным 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, основа- ны 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 анали- зе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропро- водящем объекте контроля этим полем. Радиоволновой метод контроля — метод неразрушающего контроля, ос- нованный на анализе взаимодействия электромагнитного излучения ради- оволнового диапазона с объектом контроля (ГОСТ 25313–82). Тепловые методы контроля , согласно ГОСТ53689–2009, основаны на регистрации тепловых или температурных полей объекта контроля. Визуально-оптические методы контроля , согласно ГОСТ 24521–80, ос- нованы на взаимодействии оптического излучения с объектом контроля. 10 Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций Радиационные методы контроля основаны на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контро- лируемым 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 по- верхностных и сквозных несплошностей материала объектов контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом или с помощью преобразователя. 11 3. Дефекты электрооборудования Оценка технического состояния электрооборудования является важ- нейшим 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 соот- ветствует всем установленным нормативными документами требованиям, в противном случае — неисправным. Переход изделия из исправного состояния в неисправное происходит вследствие дефектов. Слово дефект употребляется для обозначения каждо- го отдельного несоответствия оборудования. Дефекты в оборудовании могут возникать в разные моменты его жиз- ненного цикла: при изготовлении, монтаже, настройке, эксплуатации, ис- пытаниях, ремонте — и иметь различные последствия [9]. Видов дефектов, точнее их разновидностей, электротехнического обо- рудования много. Так как знакомство с видами диагностики электрообору- дования в пособии начнется с тепловизионной диагностики, то будем поль- зоваться градацией состояния дефектов (оборудования), чаще применимой при ИК-контроле. Обычно выделяют четыре основные категории или сте- пени 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 воз- можность эксплуатации оборудования или сокращает его жизненный срок); 4. Дефект в аварийной стадии развития (наличие такого дефекта де- лает 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 прове- сти дополнительное обследование для оценки качества выполненного ремонта); 3. Оставить в эксплуатации, но уменьшить время между периодиче- скими обследованиями (учащенный контроль); 4. Провести другие дополнительные испытания. 12 Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций При выявлении дефектов и принятии решений по дальнейшей эксплуа- тации электротехнического оборудования не стоит забывать и о вопросе до- стоверности и точности полученной информации о состоянии оборудования. Любой метод НК не обеспечивает полной достоверности оценки со- стояния 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 восстановитель- ных работ, то ошибки второго рода (необнаруженный дефект) влекут за со- бой аварийное повреждение оборудования [10]. Стоит заметить, что при любом виде НК можно выделить ряд факто- ров, 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 ме- теоусловия (температура воздуха, влажность, облачность, сила ветра и т. д.), время суток. Под «человеческим фактором» понимают квалификацию персонала, профессиональное знание оборудования и грамотное проведение непо- средственно самого тепловизионного контроля. «Технический аспект» подразумевает под собой информационную базу о диагностируемом оборудовании (материал, паспортные данные, год вы- пуска, состояние поверхности и т. д.). На самом деле факторов, влияющих на результат методов НК и анали- за 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 элек- тротехнического оборудования согласно классификации ГОСТ 18353–79. Ниже в таблице представлены основные нормативные документы, кото- рыми необходимо руководствоваться при проведении диагностики с помо- щью основных методов неразрушающего контроля. 13 3. Дефекты электрооборудования Таблица 1 |