Обсуждаются вопросы повышения надежности и увеличения срока службы трансформаторов. В контроле и диагностике состояния трансформаторов одним из перспективных является акустический метод обнаружения развивающихся дефектов. В его основе – регистрация акустических сигналов, которые возникают из-за присутствия примесей в трансформаторном масле. В статье приведены методика выполнения испытаний трансформаторного масла акустическим методом и способ обработки экспериментальных данных. В качестве критерия работоспособности по параметрам увлажненности и содержания целлюлозы рассматривается коэффициент демпфирования средой.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по аналитике
Под ред. В.Б. Барановской, И.В. Болдырева
под ред. Ю. А. Карпова, В. Б. Барановской, Л. П. Житенко
Другие серии книг:
Мир химии
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #5/2019
А. В. Крехова
Метод определения содержания примесей в трансформаторном масле по величине акустического коэффициента демпфирования
Просмотры: 2039
Обсуждаются вопросы повышения надежности и увеличения срока службы трансформаторов. В контроле и диагностике состояния трансформаторов одним из перспективных является акустический метод обнаружения развивающихся дефектов. В его основе – регистрация акустических сигналов, которые возникают из-за присутствия примесей в трансформаторном масле. В статье приведены методика выполнения испытаний трансформаторного масла акустическим методом и способ обработки экспериментальных данных. В качестве критерия работоспособности по параметрам увлажненности и содержания целлюлозы рассматривается коэффициент демпфирования средой.
Метод определения содержания примесей в трансформаторном масле по величине акустического коэффициента демпфирования
А. В. Крехова,
Сибирский федеральный университет, Красноярск
eternity17@list.ru

Силовые трансформаторы – ​наиболее дорогие и стратегически важные компоненты любой энергосистемы. Для обеспечения надежности их работы и увеличения срока службы разрабатываются различные методы контроля и диагностики. Одним из перспективных является акустический метод обнаружения развивающихся дефектов путем регистрации акустических сигналов, которые возникают из-за присутствия примесей в трансформаторном масле. В статье приведены методика выполнения испытаний трансформаторного масла акустическим методом и способ обработки экспериментальных данных. В качестве критерия работоспособности по параметрам увлажненности и содержания целлюлозы рассматривается коэффициент демпфирования средой.

Эксплуатационные
показатели качества трансформаторного масла

Силовые трансформаторы являются наиболее дорогими и важными составляющими любой энергетической системы. В большинстве отраслей сложилась ситуация, когда основной фонд силового маслонаполненного электрооборудования изношен на 70–80% [1]. Рост нагрузки сопровождает­ся интенсивным старением фонда трансформаторов. Установлено, что после 50 лет эксплуатации происходит 50% всех поломок, 60 лет – ​90%, 70 лет – ​100% (рис. 1) [2].

Современная система контроля и диагностики, предусмотренная РД [3], сосредоточена на проведении контроля трансформатора перед началом эксплуатации и после капитального ремонта. В таком виде невозможно в полной мере обеспечить надежность и безопасность их работы, поэтому актуальна разработка новых методов и подходов к определению реального технического состояния трансформаторов.

Одно из направлений связано с анализом трансформаторного масла как диагностической среды, отвечающей за износ изоляции трансформатора в целом. Среди множества качественных характеристик [1] для прогноза его технического состояния и дальнейшей работоспособности важными являются содержание влаги и целлюлозы.

Одна из причин увлажнения масла при эксплуатации – ​образование воды в результате окисления углеводородов масла, ускоряемое при наличии электрического поля. Это, конечно, не исключает других источников увлажнения масла, находящегося в рабочем трансформаторе, – ​из окружающего воздуха при колебаниях температуры, из целлюлозной изоляции за счет ее подсушки или же в результате глубокого старения целлюлозы [4]. При содержании влаги 3,3% от массы твердой изоляции (что составляет 0,01 до 0,03% массовой доли жидкой изоляции) от нее начинают отделяться волокна, а также снижается полная электрическая прочность изоляции трансформатора [5–7].

Поэтому параметры увлажненности и содержания целлюлозы в трансформаторном масле можно рассматривать как эксплуатационные показатели его качества.
Известны многочисленные методы определения влаги: титрирование Карла Фишера [8], построение диаграмм равновесия [9; 10], метод поляризационных и деполяризационных токов (PDC) [11], диэлектрические методы [12, 13], хроматографический метод [14–16], по ГОСТ 7822-75 [17], согласно РД 34.43.107-95 [18] – и целлюлозы: инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), спектроскопия в ближней инфракрасной области (NIR) [19], по ГОСТ 6370-83 [20]. К сожалению, они обладают рядом существенных недостатков:
- высокая трудозатратность;
- применение сложного дорогостоящего оборудования;
- проведение исследований в специализированных лабораторных условиях и помещениях;
- необходимость в высокой квалификации кадров, проводящих исследование.

Предлагаемый акустический метод базируется на исследовании влияния факторов износа трансформатора (увлажненности и содержания целлюлозы) на акустический спектр трансформаторного масла.

Методика исследования
качества трансформаторного масла акустическим методом

Условия проведения испытаний соответствуют ГОСТ 8.395-80 [21].
Эксперименты проводили техническим методом по ГОСТ 12.1.027-80. Система стандартов безопасности труда. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в реверберационном помещении. Технический метод [22].

Испытательная установка состоит из образца трансформаторного масла, помещенного в резервуар, двух пьезокерамических преобразователей, генератора сигналов, персонального компьютера и программного обеспечения, структурная схема представлена на рис. 2.

Пьезоэлектрические преобразователи использовали в качестве излучателя и приемника, так как они могут не только генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, но и конвертировать механические колебания в электрические.
Принцип их работы основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте, когда под действием электрического поля происходит механическая деформация кристалла, в результате возникают колебания.

Исследование влияния влаги на акустический спектр трансформаторного масла включало два основных этапа.

На первом этапе определяли вес образца эталонного трансформаторного масла, содержание влаги в котором составляет 0%, и мощность звуковой волны, прошедшей через него, по 13 частотам в диапазоне от 1 до 10 кГц.

Далее с помощью пипетки по ГОСТ 29227-91 [23] в испытуемый образец масла добавляли воду. Полученную смесь взвешивали и определяли массовую долю влаги в пробе. Последующие измерения мощности звуковой волны проводили в трех точках процентной шкалы: 0,0994%, 0,224%, 0,355% [24].

Аналогичным образом исследовали влияние целлюлозы на акустический спектр трансформаторного масла в четырех точках процентной шкалы концентрации целлюлозы в образце трансформаторного масла: 0%, 0,06%, 0,18%, 0,31%. Суммарная относительная погрешность измерения массовой доли влаги и целлюлозы составила ± 0,005%.

Методика обработки экспериментальных данных
Обработка экспериментальных результатов включала шесть основных этапов: определение значимости влияния примесей, а затем отдельно влаги и целлюлозы, содержащихся в трансформаторном масле, на его акустический спектр; определение коэффициентов корреляции для установления вида зависимости между мощностью звуковой волны и содержанием влаги и целлюлозы; выбор несущих частот, которые мы связываем с содержанием влаги и целлюлозы в трансформаторном масле; составление соответствующих уравнений регрессии для несущих частот; определение адекватности полученных моделей. Оценку значимости проводили с помощью критерия Стьюдента при доверительной вероятности 95%, оценку адекватности – с помощью критерия Фишера.
На первом этапе проведены эксперименты по определению частотных спектров эталонного трансформаторного масла (содержание примесей 0%) и бывшего в эксплуатации трансформаторного масла (выработка примерно 10 тыс. часов). Спектры представлены на рис. 3, видно, что они сильно различаются.

С помощью критерия Стьюдента было показано, что примеси, присутствующие в трансформаторном масле, изменяют его акустический спектр. Доверительная вероятность составила 95%.

На втором этапе обработки с помощью критерия Стьюдента также была подтверждена значимость влияния влаги и целлюлозы на акустический спектр трансформаторного масла (доверительная вероятность 95%).

На третьем этапе определены коэффициенты корреляции, по величине которых выбраны несущие частоты:
по частоте 2 кГц можно определить содержание влаги в трансформаторном масле (коэффициент корреляции –0,96);
по частоте 4 кГц можно определить содержание целлюлозы (коэффициент корреляции 0,94).

Так как коэффициенты корреляции близки к единице, следовательно, зависимость между концентрацией примесей и мощностью звуковой волны линейная.

Далее для несущих частот были составлены соответствующие уравнения регрессии и построены теоретическая и экспериментальная зависимости мощности звуковой волны от содержания примесей (рис. 4) [25].

Уравнения регрессии на несущих частотах 2 и 4 кГц имеют следующий вид:
Y2 кГц = 10,1 ∙ 10–9 – ​2,83 ∙ 10–8 ∙ Х,
Y4кГц = 5,99 ∙ 10–9 + 3,22 ∙ 10–8 ∙ Х.

На шестом этапе обработки проведена проверка адекватности полученных моделей по критерию Фишера, согласно которому гипотеза об адекватности уравнения регрессии принимается, если сохраняется расчетное значение F‑отношения Снекодера – ­Фишера ниже табличного значения.

Также для анализа адекватности рассчитывают коэффициент детерминации, который показывает долю вариации результативного признака, находящегося под воздействием изучаемых факторов, то есть определяет, какая доля вариации признака Y учтена в модели и обусловлена влиянием на него факторов, включенных в модель.

Результаты проверки полученных в ходе исследования регрессионных моделей сведены в табл. 1.

Так как расчетные значения F‑отношения ниже табличных, а коэффициент детерминации высокий, то полученные модели адекватные и могут быть использованы для последующей оценки качества трансформаторных масел.

Коэффициент демпфирования средой как критерий работоспособности трансформаторного масла
Основываясь на результатах экспериментов, в качестве критерия работоспособности трансформаторного масла по показателям увлажненности и содержания целлюлозы был выбран коэффициент демпфирования средой. Его определяли, как отношение измеренной мощности звуковой волны в образце бывшего в эксплуатации трансформаторного масла с примесями к мощности звуковой волны в образце эталонного трансформаторного масла (0% содержание влаги и целлюлозы) на несущих частотах 2 и 4 кГц.
Используя регрессионный анализ, составлены соответствующие уравнения линейной регрессии и построены теоретические и экспериментальные зависимости коэффициента демпфирования средой от концентрации влаги и целлюлозы (рис. 5).
Уравнения регрессии на несущих частотах 2 и 4 кГц имеют следующий вид:
Yдемпф. 2 кГц = 0,99 – 2,75 ∙ Х,
Yдемпф.4кГц = 0,99 + 5,32 ∙ Х.

Полученные зависимости (см. рис. 5) можно использовать в качестве тарировочных кривых, когда по значению коэффициента демпфирования средой можно определить массовую долю влаги и целлюлозы, содержащихся в образце трансформаторного масла (рис. 6).

Что и было сделано для бывшего в эксплуатации трансформаторного масла, исследуемого на первом этапе.

Численные значения мощности звуковой волны в эталонном и бывшем в эксплуатации трансформаторных маслах, а также рассчитанный коэффициент демпфирования средой сведены в табл. 2.

По найденной величине коэффициента демпфирования средой было установлено, что в исследуемом образце бывшего в эксплуатации трансформаторного масла марки
Т‑1500 массовая доля влаги составила 0,17%, а массовая доля целлюлозы – ​2,99%.

Полученные зависимости и экспериментальные данные подтверждают, что влага, имея большую плотность по сравнению с плотностью трансформаторного масла, увеличивает общую плотность среды и значение мощности звуковой волны, прошедшей через образец такого трансформаторного масла, уменьшается. Противоположным образом воздействует на плотность среды содержание целлюлозы: с увеличением количества целлюлозы в трансформаторном масле плотность среды уменьшается, в то время как мощность звуковой волны увеличивается. Эти результаты согласуются с данными других авторов, например, [5], где скорость в среде определяется по известной формуле:
,
где ρ – ​плотность среды, β – ​коэффициент адиабатического сжатия.

Из этого можно сделать вывод о том, что полученные модели могут быть использованы для определения эксплуатационных показателей качества трансформаторного масла – ​увлажненности и содержания целлюлозы. А акустический метод в силу его низкой трудоемкости и трудозатратности, отсутствия необходимости в сложном и дорогостоящем оборудовании, специальных лабораторных условиях и высокой квалификации проводящих исследования кадров является перспективным методом для дальнейшего внедрения в систему диагностики и контроля силовых трансформаторов.

Литература
Батрак А. П., Тюрюмина А. В., Никитина А. В. Сравнение качественных характеристик трансформаторных масел // Тяжелое машиностроение. 2013. № 3. С. 41–44.
Metwally I. A. Failures, monitoring, and new trends of power transformers // IEEE potentials. 2011, May/June. ​Р. 36–43.
РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. 6-е изд. URL: https://files.stroyinf.ru/Data1/11/11967/.
Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансформаторное масло / 3-е изд., перераб. и доп. – ​М.: Энергоатомиздат, 1983. 296 с.
Красильников В. А., Крылов В. В. Введение в физическую акустику. – ​М.: Наука, 1984. 403 с.
Батрак А. П., Тюрюмина А. В., Никитина А. В. Факторный анализ качественных характеристик трансформаторного масла в 3 т. Т. 3 // Молодежь и XXI век – ​2015: материалы V Междунар. молодеж. науч. конф. (26–27 февраля 2015 г.), Юго-­Зап. гос. ун-т, ЗАО «Университетская книга». – ​Курск, 2015. 259 с.
Алексеев Б.А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. – М.: НЦ ЭНАС, 2002. – 216 с.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art