В энергетической отрасли России сложилась ситуация, когда 70% всего парка силовых трансформаторов выработали свой ресурс. Однако опыт эксплуатации показывает, что примерно 70-80% всех отказов связаны не с выработкой ресурса, а результате образования и развития различных дефектов, причём подавляющее их большинство связано с неудовлетворительным состоянием изоляции – бумажной или масляной. Темпы демонтажа и списания производственных основных фондов в 3,5 раза отстают от нормативных темпов списания электрооборудования из-за износа. Финансирование воспроизводства и обновления электрооборудования отстаёт от темпов его старения. Как следствие - повышаются риски аварийных ситуаций для обслуживающего персонала. Надёжность работы силовых электротехнических комплексов во многом определяется работой элементов, составляющих их, и в первую очередь, силовых трансформаторов, обеспечивающих согласование комплекса с системой и преобразование ряда параметров электроэнергии в требуемые величины для дальнейшего ее использования, причем до 70% парка высоковольтных трансформаторов являются маслонаполненными. Высокая степень износа трансформаторов имеет потенциальную опасность как для обслуживающего персонала, так и для потребителей. На рисунке 1 и 2 показано распределение трансформаторов по годам эксплуатации (количественное и процентное соотношения).
Рисунок 14.1 - Количественное распределение трансформаторов по годам эксплуатации.
Рисунок 14.2 - Процентное соотношение трансформаторов по годам эксплуатации.
Анализ представленных данных показывает, что основная часть трансформаторов выработала нормативный срок службы, а в течение ближайших 5-10 лет этот показатель увеличится ещё на 25%. Характер повреждаемости трансформаторов по годам эксплуатации показывает, что основными причинами их отказов являются витковые замыкания, износ и старение обмоток, плохое состояние трансформаторного масла, дефекты монтажа, заводской брак. Так как в ближайшее время не ожидается существенного обновления парка трансформаторов, в связи, с чем становится актуальной проблема продления их эксплуатации при существующих нагрузках. В этих условиях актуальность диагностирования технического состояния электрооборудования обусловлена следующими причинами:
– необходимостью продления срока эксплуатации сверх нормативного, вплоть до выработки реального, заложенного изготовителем ресурса;
– необходимостью предотвращения аварий энергоблоков собственных электростанций, убытки от которых исчисляются миллионами рублей;
– общемировой тенденцией перехода от системы планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по состоянию.
Правильная оценка возможности дальнейшей эксплуатации оборудования на основании проведенной диагностики позволяет избежать неоправданных финансовых затрат, а также потерь, связанных с аварийным отключением электроснабжения
Методы контроля технического состояния объектов силовой энергетики делятся на контроль по предельным значениям параметров, определяемым ГТГЭ, инструкциями, нормативами, и контроль по текущим значениям параметров, на основании которого выполняются диагностика технического состояния, прогнозирование остаточного ресурса, определение степени опасности дефектов и выработка экспертного заключения. Контроль по предельным значениям параметров не позволяет оценить качество текущего технического состояния объектов, а также динамику развития дефектов, но чаще всего используется в системах защиты и мониторинга. Динамику процесса развития дефектов и качество технического состояния можно определить только диагностическими методами.
Учитывая большое количество объектов энергетики с исчерпанным нормативным ресурсом, применение методов контроля по предельным значениям часто становится недопустимым. Диагностика - это разовое или периодическое обследование технического состояния объектов энергетики (тренд). Известно, что развитие дефектов до факта аварии в электрооборудовании во времени происходит достаточно медленно. Этот период может составлять от нескольких месяцев до нескольких лет. Поэтому в большинстве случаев необходимости в мониторинге нет.
Диагностика выполняется неразрушающими методами контроля и позволяет оценить техническое состояние объектов по совокупности параметров, определить динамику развитая процессов, остаточный ресурс работы с имеющимися дефектами. Тренд на основании результатов диагностики исключает аварийные ситуации в период между диагностическими исследованиями.
14.1 Общие вопросы диагностики силовых трансформаторов
При разработке методик расчета и исследований объектов силовой энергетики традиционное внимание уделяется анализу процессов в активных материалах, ферромагнитных и проводящих элементах конструкций. Значительно более редкими являются исследования изоляции. Вместе с тем при эксплуатации объектов силовой электроэнергетики наибольшее число проблем возникает именно в изоляционных элементах конструкций, а не в конструкциях, включающих активные материалы. Выделение изоляции из числа активных материалов является в известной степени условным, при допущении, что свойства изоляции являются неизменными и не оказывают влияния на процессы передачи или преобразования электрической энергии.
В конструкциях, включающих активные материалы, проблемы возникают, как правило, при аномальных воздействиях. Это нарушение прессовки магнитопроводов и креплений элементов обмоток при возникающих внезапных коротких замыканиях, изменение геометрии обмоток, а также отклонения параметров конструкций при выполняемых ремонтах. В изоляции процессы изменения свойств, без учета влияния электромагнитных полей, во времени идут достаточно медленно, месяцы и годы. И только на завершающем этапе, накануне пробоя, скорость изменения физических свойств изоляции резко возрастает. Задача диагностики изоляции заключается в определении текущего ее технического состояния, а также степени опасности дефектов, времени принятия решений, закономерностей процессов с целью прогнозирования остаточного ресурса эксплуатации.
Более сложными объектами электроэнергетики для диагностики, по сравнению со статическими объектами, кабельными линиями и воздушными линиями электропередач, являются силовые трансформаторы. В них, наряду с диагностикой состояния изоляции, необходимы исследования по целому ряду электромеханических характеристик. При этом возникают проблемы по оценке степени опасности того или иного дефекта по причине многофакторности задачи.
Результаты исследований НИЦ «ЗТЗ-Сервис» показывают, что наибольшее число проблем в силовых трансформаторах связано с нарушениями в работе систем охлаждения, вводов и нарушением уплотнений - около 40 %. Распрессовка обмоток и магнитопроводов составляет порядка 10 %, столько же - нарушение характеристик масла. Вместе с тем опыт исследований показывает, что более 70 % дефектов может быть выявлено без отключения трансформаторов.
Учитывая большое число параметров, по которым оценивается техническое состояние силового трансформатора, определение целевой функции, ее анализ являются чрезвычайно сложной задачей. В настоящее время кроме анализа трансформаторного масла (включая анализ на продукты распада твердой изоляции) могут выполнятся работы по тепловизионному обследованию узлов трансформатора, вибродиагностике с целью определения состояния магнитопровода и обмоток; измерению частотных разрядов электрическим методом и их локализации в пространстве акустическим методом. Все измерения и сбор данных могут производятся на работающем трансформаторе.
На основании полученных результатов делается заключение о необходимости измерений на отключенном трансформаторе и, в крайнем случае, разборке трансформатора для визуального осмотра и измерений. Такая технология диагностики позволяет существенно снизить затраты на производство работ, обоснованно распределить ресурсы на техническое обслуживание, реализовать систему обслуживания по действительному техническому состоянию. В настоящее время все работы выполняются, как правило, на основании утвержденных на предприятиях графиков планово-предупредительных работ, методик типовых испытаний и потому, учитывая большое количество трансформаторов с исчерпанным ресурсом эксплуатации, являются малоэффективными и затратными.
Все дефекты, возникающие в трансформаторе, носят случайный характер, поэтому для определения целевой функции (например, по маслу) необходимо иметь большое число статистических данных. Для объектов энергетики такого типа целевая функция может быть многоуровневой:
F=F(Q1,Q2,-,Qn),
где Q1, Q2, ···» Qn - целевые функции по отдельным физическим явлениям или элементам конструкций, например, по маслу, частичным разрядам, вибрационным параметрам, температуре и т. п.
Описанный подход в анализе результатов диагностики позволит максимально автоматизировать выработку заключений по техническому состоянию объектов энергетики и в основном исключить влияние человеческого фактора. Для формализации методов диагностики с целью разработки технологических инструкций и стандартов, критериев оценки технического состояния и остаточного ресурса необходим достаточный объем статистических данных. На основании полученных результатов, их анализа разрабатываются алгоритмы и программное обеспечение для автоматизации контроля технического состояния объектов.