Правило монтзингера

Содержание:

Тепловые воздействия на изоляцию — Изоляция электрических машин

§ 2. Тепловые воздействия на изоляцию и классы нагревостойкости
Математическое описание старения.
Классы нагревостойкости
Тепловое старение изоляции является следствием постепенного химического изменения входящих в ее состав органических веществ, например, пленок, волокон, связующих.
Скорость протекания химических процессов определяется кинетикой реакций, для теплового старения — термической и термоокислительной деструкцией молекул, из которых состоит полимер (реакцией деструкции называют реакцию, протекающую с разрывом химической связи в главной цепи макромолекулы). Если обозначить Л0 — начальное число молекул вещества в единице объема, a At— число молекул через промежуток времени t, то скорость химических реакций в большинстве случаев может быть выражена формулой
(1)
где Kt — средняя вероятность распада одной молекулы в единицу времени, определяющая скорость химических реакций.
Зависимость Kt от температуры подчиняется закону Аррениуса
(2)
где В — постоянная, зависящая от структуры веществ, вступающих в реакцию; W — энергия активации, k — постоянная Больцмана.
Подставляя (2) в (1) и интегрируя, получаем
) (3)
где Т = 273+0; 0—испытательная температура.
Для удобства обозначим 1п(—1/5 In At/AQ) — G, где G — постоянная, зависящая от исходных свойств материала А0 и задаваемого условиями испытаний предельного уровня деградации At. На основании зависимости In t = G 4- W/kT определяется время выхода из строя электроизоляционного материала или системы изоляции. Обычно представляет интерес оценка изменения срока службы изоляции t при изменении температуры в сравнительно узком диапазоне (порядка десятков градусов). В этом случае достаточную для такой оценки точность дает более удобное для расчетов выражение (так называемое правило Монтзингера)
(4) где А и А0 — постоянные.
Как следует из этого выражения, при изменении температуры изоляции на Л0 срок службы ее меняется вдвое. Величина Л0 зависит от состава изоляции, качества ее изготовления, степени предшествующего старения и других факторов. Экспериментально установлено, что постоянная Д0 лежит в пределах от 8 до 20° С. Для расчетов часто используют значение Л0=1О°С. Системы изоляции, у которых при одинаковых сроках службы значения рабочих температур отличаются не более, чем на 5° С, объединяют в один класс. В существующей классификации изоляции по нагревостойкости согласно [14] нормируются предельные температуры, установленные из условий работы изоляционных материалов в воздушной среде.
Необходимо подчеркнуть, что в табл. 1 приведены предельные температуры для систем изоляции, а не отдельных ее компонентов и материалов, которые сами по себе могут иметь очень сильно различающиеся температурные индексы.
Таблица 1

Максимально допустимая температура при длительной эксплуатации, °С

Например, микалентная компаундированная изоляция на- гревостойкостью класса А содержит щепаную слюду, тепловая деградация которой происходит при температуре выше 500° С, и связующее битум, размягчающееся при

  1. . 100° С. Из этого примера следует, что нельзя судить о классе нагревостойкости конструкции, состоящей из разнородных материалов, по характеристикам компоненты. Применение высоконагревостойкого наполнителя при менее нагревостойком связующем может повысить класс изоляции по отношению к связующему.

Для электрических машин, не имеющих системы водяного охдаждения обмотки, главной причиной выхода из строя изоляции являются тепловые воздействия. Поэтому повышение класса нагревостойкости изоляции, например за счет внедрения полимерных материалов на основе ароматического полиамида (фенилона), полиамида, полиамидимида и др. (нагревостойкость их 220° С и выше), позволяет повысить эксплуатационную надежность, мощность машины.
Для крупных электрических машин применяется изоляция классов В и F, т. е. с предельно допускаемыми темпера-
турами 130 и 155° С. Поэтому в эксплуатации предельные температуры активных и конструктивных частей генератора, соприкасающихся с изоляцией, не должны превышать этих значений (ГОСТ 533—76). Температура обмотки в эксплуатации контролируется с помощью датчиков температуры, термометров сопротивления, установленных на активную сталь генератора и изоляцию в предполагаемых наиболее нагретых точках. У генераторов с водяным охлаждением температура практически поддерживается на уровне значительно ниже допустимого по ГОСТу. Определяющей в этом случае является температура воды, выходящей из обмотки, обычно эта температура не должна превышать 85° С.

Процесс и признаки теплового старения

В процессе теплового старения в изоляции происходят химические и физические изменения. Во-первых, длительное действие температуры и взаимодействие изоляции с кислородом воздуха вызывают усадку изоляции или появление в ней пор и трещин. При термоокислительных процессах может произойти и дополнительная сшивка молекул полимеров, приводящая к увеличению жесткости, появлению хрупкости. Во-вторых, возможен и обратный процесс — химическое разложение (деполимеризация) под действием температуры, при этом материал может размягчаться выделять летучие продукты, разрушающие соприкасающиеся с ним другие компоненты.
Физические изменения в системах изоляции, обусловленные процессом теплового старения, зависят от ее состава и конструктивного исполнения обмотки. Удобно их рассмотреть на примерах изоляции всыпной катушечной, шаблонной и стержневой обмоток.
Изоляция всыпных обмоток. Наиболее слабым элементом этой конструкции оказывается витковая изоляция» представляющая собой два слоя изоляции обмоточного„провода (соприкасающиеся витки), соединенных пропитывающим составом. В такой изоляции на границе раздела проводник— полимер создается внутреннее напряжение авн, определяемое соотношением [1]
(S)
где ад, ам —ТКЛР полимера и металла соответственно; £п- модуль упругости полимера; АТ — разность между температурой -стеклования полимера Тс и наименьшей температурой обмотки в эксплуатационных условиях.
Выражение (5) справедливо для одноосного растяжения, возникающего в устройствах продолговатой формы, каким
является и обмоточный провод. Внутреннее напряжение создается только в стеклообразном состоянии полимера, поэтому в (5) и входит АТ как различие низкой эксплуатационной температуры, например при перерывах в работе, и Тс.

Рис. 4
В процессе теплового старения из-за указанных выше химических процессов в полимерном материале изменяются его физические параметры (увеличиваются Тс и снижается ап), что приводит в целом к возрастанию авн, особенно в начальный период старения. Кривую изменения ствн в процессе теплового старения полимерного материала можно условно разделить на две области (рис. 4). Первая (до 1000 ч) характеризуется быстрым нарастанием напряжении, во второй (свыше 1000 ч) рост напряжений замедляется, так как модуль упругости, температура стеклования и TKJIP стабилизируются.
Внутренние напряжения влияют на стойкость материала к растрескиванию: Полимер растрескивается в том случае, когда внутренние напряжения сигма-вн и прочность 0р становятся соизмеримыми. Относительное сближение этих величин может происходить как в результате повышения сигма-вн, так и в результате снижения стР. Приведенные на рис. 4 зависимости авн, ар от времени старения даны для широко используемого в электрических машинах пропиточного лака МЛ-92 (меламинглифталевого).

Изоляция катушечных и стержневых обмоток крупных машин.

Неорганические компоненты изоляции — слюда, слюдинит, слюдопласт, стеклоткань, при рабочих температурах генератора практически не претерпевают каких-либо химических изменений, т. е. не старятся.
В термореактивной изоляции (ТРИ), состоящей из слюдинита, стеклоткани и эпоксидной смолы, старится связующее— термореактивная смола, ее деполимеризация приводит к повышению хрупкости — ухудшению механических свойств изоляции в целом.
В микалентной компаундированной изоляции (МКИ), состоящей из листов слюды, бумажной подложки и битумного лака, также старятся органические компоненты — бумажная подложка и битум, при этом подложка становится хрупкой, постепенно происходит ее химическое и механическое разрушение. Битумно-масляный лак, входящий в состав микаленты, и битумный компаунд, которым она пропитывается при компаундировке (пропитке и опрессовке), при старении становятся из вязких также хрупкими, частично улетучиваются, при механических воздействиях крошатся. В результате этого ослабляется связь как между слоями микаленты, так и между листками слюды в слое, изоляция легко расслаивается. При длительном_ нагреве микалентной изоляции параллельно с химическими процессами идет также процесс так называемого «распухания», имеющий в своей основе механические явления. С повышением температуры резко ухудшаются механические свойства лака и компаунда (они размягчаются), вследствие чего листки слюды, согнутые на углах сечения стержня, имеют возможность несколько распрямляться, тем самым увеличивать радиус закругления изоляции на углах стержня. При этом в меньшей степени распрямляются внутренние слои, испытывающие давление внешних слоев, в большей степени — внешние слои, сдерживаемые лишь вязкостью связующего и покровной лентой.

Рис. 5
В результате описанного процесса сечение изолированного стержня принимает бочкообразную форму, между слоями изоляции, по-разному изогнутыми, появляются или увеличиваются воздушные прослойки, появляется или увеличивается зазор между внутренним слоем изоляции и поверхностью проводников стержня.
На рис. 5 представлено схематическое изображение сечения микалентной изоляции до распухания (а) и после распухания (б). Распухание особенно сильно проявляется в местах, где ему ничто не препятствует, — в лобовых частях (включая место выхода из паза); в пазовой части оно ограничено размерами паза. Таким образом, состаренное состояние МКИ характеризуется следующими признаками:

  • изоляция утолщена в лобовых частях, на выходе из паза и в вентиляционных каналах статора (выпучивание изоляции в канал);
  • снятая со стержня изоляция расщепляется по слоям намотки микаленты;
  • снятая со стержня изоляция распадается на отдельные листки слюды (при очень сильной степени старения), бумажная подложка практически отсутствует, связующее осыпается;
    1. понижается содержание связующего и повышается содержание воздушных включений.
    2. Возможны другие условия теплового старения изоляции, например, сравнительно кратковременное действие температур, существенно превышающих допустимые рабочие температуры. Такие условия возникают, как правило, при местных перегревах в машине: местном перегреве активной стали, замыкании ряда элементарных проводников в -пазовой части обмотки, изломе проводника со случайным контактом в месте излома, перегреве стержня из-за закупорки недопустимого числа полых проводников в генераторе с водяным охлаждением обмотки и т. п.
      Относительно теплового старения изоляции можно сделать следующие выводы.

    3. Для изоляции низковольтных машин тепловое старение является определяющим. Для экспериментальной оценки долговечности проводится циклическое тепловое старение с периодическим воздействием механических нагрузок и влаги.
    4. Тепловое старение играет существенную роль для изоляции крупных машин и гидрогенераторов с воздушным охлаждением, особенно для МКИ. В этом случае старение может быть определяющим для срока службы изоляции,, особенно, если фактическая температура близка к предельно допустимой.
    5. Для обмоток гидрогенераторов с МКИ срок службы составляет около 20 лет, а в отдельных случаях требовалась замена обмотки через 8. 12 лет эксплуатации. При переходе к ТРИ расчетный срок службы обмотки увеличен до 40 лет.

    6. Для генераторов с водородным охлаждением обмотки процесс теплового старения изоляции резко замедляется, хотя возможно проявление термомеханических явлений в машинах с маневренным режимом работы.
    7. У генераторов с водяным охлаждением заметное тепловое старение отсутствует.
    8. leg.co.ua

      2.1.2. Старение изоляции под действием температуры

      Среди различных факторов, определяющих срок службы изоляции электрических машин, одним из основных является старение изоляции под действием температуры. Это явление лучше других поддаётся количественному учёту, а поэтому сравнительно подробно исследовано.

      С точки зрения температурных воздействий на изоляцию различают понятия теплоустойчивостьинагревостойкость.

      Теплоустойчивостьюназывают способность электроизоляционного материала сохранять свои свойства на определённом уровне при относительно кратковременном перегреве. Материал не должен при этом разрушаться, менять свои химические свойства; не должны возникать пластические деформации, вытекание или разрушение связующего и т. п.

      Нагревостойкостьхарактеризует способность материала без существенного ухудшения характеристик выдерживать воздействие предельно допустимой для данного типа изоляции температуры в течение периода времени, соответствующего сроку службы машины, и при обусловленных величинах других эксплуатационных воздействий.

      Как видно, с практической точки зрения нагревостойкость является более важной характеристикой изоляции, поэтому именно она положена в основу классификации изоляционных материалов.

      Поскольку нагревостойкость определяется скоростью старения изоляции в условиях повышенных температур, особое значение приобретают методы расчётов скорости старения и на этой основе – срока службы изоляции.

      Первые работы в этом направлении имели, главным образом, опытный характер и относились к изоляции класса А. В результате было сформулировано правило «восьми градусов» (правило Монтзигера). В соответствии с этим правилом повышение температуры на каждые 8 ºС выше предельно допустимой сокращает срок службы изоляции вдвое.

      , (2.1)

      где υ – температура нагрева изоляции, º С; Т– срок службы изоляции при этой температуре (в годах);Т0– срок службы изоляции при так называемых «нулевых» условиях (при υ = 105 ºС составляет 6,225·10 4 лет); Δυ = 8 ºС – превышение температуры над допустимой, при которой срок службы изоляции сокращается в два раза.

      П р и м е ч а н и е. Установлено, что величина Δυ = 8 ºС соответствует только классу А – для других классов изоляции она повышается до (10÷12) ºС, а именно чем выше класс нагревостойкости, тем медленнее происходит её старение при соответствующей предельно допустимой температуре.

      Уравнение для любого класса нагревостойкости изоляции может быть представлено в логарифмической форме:

      где k=ln2/Δυ. Из уравнения (2.2) видно, что логарифм срока службы изоляции линейно зависит от температуры.

      Несмотря на эмпирический характер уравнения (2.2), оно находит известное практическое применение и позволяет производить ориентировочные расчёты в тех случаях, когда они относятся к сравнительно небольшим отрезкам времени и небольшим диапазонам изменения температуры.

      Пример 2.1.Воспользовавшись правилом «восьми градусов», оценить срок службы изоляции класса А, если её рабочая температура составляет: 105 ºС; 113 ºС.

      Воспользуемся формулой (2.2).

      При υ = 105 ºС lnT=ln(6,225·10 4 ) – (ln2/8)·105 = 11,0389 – 9,0976 = 1,94 →T=e 1,94 = 6,9678 ≈ 7 лет.

      При υ = 113 ºС lnT=ln(6,225·10 4 ) – (ln2/8)·113 = 11,0389 – 9,7907 = 1,25 →T=e 1,25 = 3,4903 ≈ 3,5 года.

      Более строгий подход к исследованию явления старения изоляции под влиянием температуры связан с применением общих законов кинетики химических реакций. Существует следующая зависимость скорости протекания химических реакций от температуры:

      , (2.3)

      где – абсолютная температура (градусы Кельвина);K– постоянная скорости реакции.

      Коэффициенты АиВв уравнении (2.3) имеют определённый физический смысл и связаны с постоянными, характеризующими состав и структуру вещества, участвующего в реакции.

      , (2,4)

      где В=Еa/RиG– постоянные, характеризующие состав и структуру вещества [4];Ea– избыточное, по сравнению со средней величиной, количество энергии (энергия активации), которым должна обладать молекула вещества, чтобы оказаться способной к химическому взаимодействию;R= 8,32 Дж/град·моль – универсальная газовая постоянная.

      На основании этого, зная срок службы изоляции Т1при температуре1, можно определить её срок службыТ2при температуре2из следующего уравнения:

      . (2.5)

      Пример 2.2.Уточнить срок службы изоляции класса А по данным примера 2.

      Экспериментальное значение Еа/Rдля класса изоляции А согласно [4] составляет 0,95·10 4 К. Тогда, учитывая найденные в примере 3.1 сроки службы изоляции при температуре1= 273 + 105 К и температуре2= 273 + 113 К, найдём:

      = 7·exp[ – 0,95·10 4 (1/378 – 1/386) ] = 7·e –0,518 ≈ ≈ 4,2 года.

      Пример 2.3.Вследствие замыкания листов активной стали турбогенератора, в зубцовой зоне возникло местное повышение температуры до 250 ºС. Определить время разрушения изоляции обмотки, считая, что она относится к классу В.

      В соответствии с экспериментальными исследованиями [4]:

      Еа/R= 1,02·10 4 К иG= 15,5 для класса изоляции В, тогда по формуле (2.5) имеемlnT= 1,02·10 4 /(273 + 250) – 15,5 = 4 →T=e 4 = 54,598 ≈ 55 часов.

      Поскольку такой расчёт учитывает лишь тепловое старение, а во время работы машины изоляция испытывает ещё электрические и механические воздействия, то можно предположить, что в действительности её разрушение вследствие пробоя произойдёт значительно раньше.

      studfiles.net

      Правило монтзингера

      6. Вероятность безотказной работы витковой изоляции равна…

      a. f(u)∙[1 – F(U)] n du.

      b. <f(u)∙[1 – F(U)]>du.

      c. <f(u) ∙ []>du.

      d. f(U)dU.

      7. Напишите зависимость срока службы изоляции от температуры, влажности и влияния агрессивных сред.

      b. A∙e – B / θ ∙C – m ∙η – n .

      8. Представьте зависимость влияния на срок службы изоляции электрического поля.

      9. Назовите факторы старения изоляции под действием механических нагрузок.

      a. Давление на изоляцию.

      b. Изгибающие и скручивающие усилия.

      10. Назовите источники термомеханических воздействий старения изоляции.

      a. Электродинамические силы.

      b. Периодический нагрев и охлаждение обмоток.

      c. Неуравновешенность вращающихся частей.

      d. Центробежные усилия, толчки и удары, передаваемые со стороны приводов или механизмов.

      1. Номинальная долговечность подшипников качения, применяемых в электрических машинах общего назначения малой и средней мощности, равна…

      a. 5 ÷ 10 тысяч часов. b. 15 ÷ 20 тысяч часов. c. 10 ÷ 20 тысяч часов.

      d. 25 ÷ 30 тысяч часов.

      2. Напишите уравнение усталостной прочности электрической машины.

      a. σz = Q/.

      b. σz = А/.

      c. σz = А/.

      d. σz = С/.

      3. Напишите уравнение среднего ресурса подшипниковых узлов с учётом эксплуатационных факторов.

      4. Напишите зависимость для определения числа Рейнольдса.

      a. с.

      b. .

      c. ∙λ t .

      d. t.

      5. Напишите зависимость срока службы подшипника с учётом смазки.

      a. .

      b. п.

      c. ∙ρ.

      d. ∙μ.

      6.Достоверное определение количественных показателей надёжности подшипниковых узлов невозможно без учёта влияния на них технологических и эксплуатационных факторов. Для удобства анализа эти факторы могут быть представлены в виде следующих …. групп.

      a. 3. b. 4. c. 5. d. 6.

      7. Подшипники качения весьма чувствительны к перегрузкам: при увеличении нагрузки на подшипник в 2 раза его долговечность сокращается примерно в… раз.

      a. 5. b. 6. c. 7. d. 10.

      8. Вероятность безотказной работы подшипника определяется по распределению Вейбулла , гдеР

      a. Долговечность подшипника.

      b. Расчётная (номинальная) долговечность.

      c. Вероятность безотказной работы.

      d. Безразмерный коэфициент.

      9.Таким образом, для аналитического определения коэффициента влияния необходимо наличие (знание) функциональной зависимости между…

      a. Показателями надёжности и долговечностью подшипника.

      b. Показателями надёжности и расчётной (номинальной) долговечностью.

      c. Входными факторами и вероятностью безотказной работы.

      d. Входными факторами и показателями надёжности.

      10. Многочисленные исследования показывают, что расчёт долговечности подшипников качения без учёта особенностей работы смазки…

      a. Не приводит к значительным погрешностям.

      b. Приводит к значительным погрешностям.

      1. Напишите условие отказа щётки электрической машины.

      a. hthпp. b. ht > hпp. c. ht −t .

      4. Вероятность безотказной работы коллектора электрической машины подчиняется…закону распределения отказов.

      5. Основным критерием отказа контактных колец электрической машины является …

      c. Чистота поверхности.

      d. Давление щётки.

      6. При выполнении контактных колец из медь-серебра и стали 1Х18Н9Т их перегрев ограничивается величиной…

      a. 180 °С. b. 160 °С. c. 140 °С. d. 120 °С.

      7. При выполнении контактных колец из медь–кадмия их перегрев ограничивается величиной…

      a. 80 °С. b. 100 °С. c. 120 °С. d. 130 °С.

      8. Надёжность коллекторно-щёточного узла во многих случаях может быть определена как вероятность безотказной работы…

      a. Щёточного аппарата.

      c. Контактных колец.

      9. Температура контактных колец критерием отказа…

      c. Для ответа недостаточно данных.

      10.Превышение температуры контактных колец выше допустимых значений свидетельствует об отказе…

      1. Дайте определение понятию доверительная вероятность.

      a. Вероятность того, что партия «хороших» изделий будет принята по результатам испытаний, а «плохих» изделий забракована.

      b. Вероятность того, что партия «плохих» изделий будет принята по результатам испытаний, а «хороших» изделий забракована.

      c. Вероятность того, что контролируемый параметр попадёт в доверительный интервал с заданной степенью точности и достоверности.

      d. Вероятность того, что контролируемый параметр не попадёт в доверительный интервал с заданной степенью точности и достоверности.

      Устройство для измерения остаточного ресурса трансформаторов в интерактивном режиме Текст научной статьи по специальности «Экономика и экономические науки»

      Аннотация научной статьи по экономике и экономическим наукам, автор научной работы — Гузанов Анатолий Александрович, Крестинков Василий Георгиевич, Семенов Дмитрий Александрович

      На сегодняшний день энергетика уже достаточно сильно развита, но, тем не менее, проблемы есть. Одна из них состоит в том, что на современном этапе эксплуатации энергетических систем более 70 % основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами. В связи с этим в современной энергетике фиксируется большое количество внезапных отказов, которые приводят к снижению качества электроэнергии, а также к повышению ее себестоимости, так как исправление внезапного отказа требует существенно большего финансирования, в отличие от запланированного ремонта [2]. Для предотвращения внезапных сбоев в работе энергосистем, необходимо контролировать множество параметров энергетического комплекса [3], одним из них является остаточный ресурс трансформаторов . Контроль этого параметра, так же необходим для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Решением данной проблемы является устройство, измеряющее остаточный ресурс трансформаторов . На сегодняшний день одним из таких является устройство контроля качества электрической изоляции, определяющее остаточный ресурс трансформатора по напряжению саморазряда и возвратному напряжению. Данная методика достаточно эффективна, но имеет ряд недостатков: требует непосредственного участия человека, не имеет возможности работы при включенном в сеть оборудовании, не имеет возможности удаленной работы, полученные данные об остаточном ресурсе действительны только на момент измерения [1]. Проанализировав работу вышеизложенного метода, разработано следующее устройство, которое позволяет измерять остаточный ресурс трансформаторов без участия человека, без отключения оборудования от сети, позволяющее наблюдать за данными в любой момент времени. Это устройство производит мониторинг остаточного ресурса по температуре наиболее нагретой точке (ННТ) трансформатора [4].

      Похожие темы научных работ по экономике и экономическим наукам , автор научной работы — Гузанов Анатолий Александрович, Крестинков Василий Георгиевич, Семенов Дмитрий Александрович,

      THE DEVICE FOR MEASUREMENT OF RESIDUAL LIFE TRANSFORMERS IN INTERACTIVE MODE

      Currently, energy is already quite well developed, but nevertheless there are problems. One of them is that at the present stage of operation of energy systems for more than 70% of the main transformer equipment already exhausted their resources of time, regulated by the normative documents. In this regard, in the modern energy industry recorded a large number of sudden failures that lead to a decrease in the quality of electricity, as well as to increase its cost since the hot fix sudden failure requires significantly more funding, unlike scheduled maintenance [2]. To prevent sudden failures in power systems, it is necessary to control many parameters of the energy complex [3], one of them is residual life of transformers. Control of this parameter is as necessary to justify the selection of priority replacement of this equipment. The solution to this problem is a device that measures the remaining life of transformers. To date, one such device is the quality control of electrical insulation, specifying the residual life of the transformer voltage and discharge return voltage. This technique is quite effective, but has several disadvantages: requires direct human intervention, nor can you work when included in network equipment, has no opportunity for remote work, data obtained on the residual resource is valid only at the time of measurement [1]. After analyzing the operations of the above method, developed following a device that allows you to measure the remaining life of transformers without human intervention, without disconnecting the equipment from the network, allowing to observe the data at any time. This device monitors the residual resource according to the temperature of the heated point (MHP) of the transformer [4].

      Текст научной работы на тему «Устройство для измерения остаточного ресурса трансформаторов в интерактивном режиме»

      УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРАНСФОРМАТОРОВ В ИНТЕРАКТИВНОМ РЕЖИМЕ

      А. А. Гузанов, студент 3-го курса кафедры «Информационные технологии и системы связи» В. Г. Крестинков, студент 4-го курса кафедры «Электрификация и автоматизация» Д. А. Семенов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация»

      Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)

      Аннотация. На сегодняшний день энергетика уже достаточно сильно развита, но, тем не менее, проблемы есть. Одна из них состоит в том, что на современном этапе эксплуатации энергетических систем более 70 % основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами. В связи с этим в современной энергетике фиксируется большое количество внезапных отказов, которые приводят к снижению качества электроэнергии, а также к повышению ее себестоимости, так как исправление внезапного отказа требует существенно большего финансирования, в отличие от запланированного ремонта [2]. Для предотвращения внезапных сбоев в работе энергосистем, необходимо контролировать множество параметров энергетического комплекса [3], одним из них является — остаточный ресурс трансформаторов. Контроль этого параметра, так же необходим для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Решением данной проблемы является устройство, измеряющее остаточный ресурс трансформаторов. На сегодняшний день одним из таких является устройство контроля качества электрической изоляции, определяющее остаточный ресурс трансформатора по напряжению саморазряда и возвратному напряжению. Данная методика достаточно эффективна, но имеет ряд недостатков: требует непосредственного участия человека, не имеет возможности работы при включенном в сеть оборудовании, не имеет возможности удаленной работы, полученные данные об остаточном ресурсе действительны только на момент измерения [1]. Проанализировав работу вышеизложенного метода, разработано следующее устройство, которое позволяет измерять остаточный ресурс трансформаторов без участия человека, без отключения оборудования от сети, позволяющее наблюдать за данными в любой момент времени. Это устройство производит мониторинг остаточного ресурса по температуре наиболее нагретой точке (ННТ) трансформатора [4].

      Ключевые слова: энергетика, трансформатор, остаточный ресурс, выработанный ресурс, правило Монтзингера, скорости теплового старения изоляции, наиболее нагретая точка, сопротивление изоляции.

      Экономическая эффективность предприятий Были проанализированы существующие методи-

      страны и ее экономика в целом напрямую зависят от ки и приборы, позволяющие производить мониторинг

      качества и стоимости эксплуатируемых энергетических остаточного ресурса трансформаторов, и представлены

      систем [5]. Их качество, в свою очередь, зависят от новая методика и прибор, позволяющие получать дан-

      оборудования, эксплуатируемого компаниями энерго- ные с учетом недостатков их предшественников. Пре-

      поставщиками. Одним из важнейших звеньев в достав- дложены варианты решения проблемы и приведены

      ке энергии до потребителя являются электрические обоснования.

      трансформаторы. На сегодняшний день существенная Анализ состояния современного трансформатор-часть эксплуатируемого трансформаторного оборудо- ного оборудования Нижегородской области показал, вания не выработала свой календарный ресурс но при что более 70 % выработало свой нормативный срок этом выработала свой рабочий ресурс, из-за перегру- службы, в то время как данные о технической выра-зок, перегревов и т. д., по этой причине отказы элек- ботке отсутствуют. По этой причине на сегодняшний трических трансформаторов в настоящее время в день нельзя спрогнозировать отказы и запланировать большинстве случаев непредвиденны, а следовательно, замену трансформаторов, как следствие, мы имеем пои их замена также не запланирована и выходит дороже, тери в качестве поставляемой электроэнергии, суще-чем плановый ремонт [6]. Сегодня существует методи- ственно большие затраты на исправление внезапных ка, позволяющая оценивать состояние изоляции транс- отказов, и как следствие повышение себестоимости. форматоров по ее сопротивлению, но данный способ Решением проблемы внезапных отказов, и как требует отключения трансформатора от сети при каж- следствие уменьшение затрат на исправление сбоев в дом замере и непосредственного участия человека, а работе электросети, мог бы быть счетчик времени, ко-также не имеет возможности определения часов торый бы фиксировал время работы каждого транснаибольшей нагрузки и т. д. [7].

      форматора и по истечении регламентируемого ресурса подавал бы сигнал о его замене [8].

      Этот способ был бы эффективен, если нагрузка трансформаторов была абсолютно неизменной на протяжении всего времени его эксплуатации и данные о его нагрузке и температуре оставались постоянными, но в современных условиях это практически невозможно, нагрузка трансформаторов и их температура меняется почти ежеминутно. Проанализировав данные

      0 реальной нагрузке, приходящей на трансформатор, и данные о его температуре, можно утверждать, что выработанный и остаточный ресурсы будут различны.

      Для решения вышеизложенных проблем был разработан комплекс, основная задача которого — мониторинг выработанного и остаточного ресурса трансформаторов. При использовании данного комплекса можно с высокой точностью определить остаточный срок службы трансформаторов и объективно спрогнозировать дату их выхода из строя, соответственно, заранее запланировать их замену или ремонт. На рисунке

      1 представлен комплекс, измеряющий остаточный ресурс трансформаторов в режиме реального времени по температуре наиболее нагретой точки трансформатора, разработанный на базе высокотехнологичного ресурсного центра подготовки кадров в области информационных технологий и систем связи для региона.

      Рисунок 1 — Комплекс, измеряющий остаточный ресурс трансформаторов в режиме реального времени по температуре наиболее нагретой точки (ННТ) трансформатора

      Комплекс состоит из уникального программного обеспечения и измерительно-передающего прибора, при их совместном использовании, пользователь имеет возможность:

      — определять выработанный и остаточный ресурс каждого трансформатора, имеющегося в электросети;

      — определять часы наибольших нагрузок каждого трансформатора;

      — обоснованно выбирать новые трансформаторы;

      — обоснованно прогнозировать отказы трансформаторов, и как следствие преждевременно планировать их замену.

      В основу работы комплекса взято правило Монтзингера [9], суть которого заключается в фиксации температуры ННТ и определения по ней срока службы, т. е. при рабочей температуре изоляция сможет работать в течение всего полного срока службы, а в случае повышения температуры на 6 °С ресурс изоляции сократится в два раза. Выявлено, что израсходованный ресурс совпадает со временем работы трансформатора в том случае, если скорость старения электрической изоляции — нормальна. Равенство ее единице обеспечивается в том случае, если температура наиболее нагретой точки (ННТ) трансформатора равна 98 °С, в этом случае срок службы трансформаторного оборудования равен заявленному и составляет 25-30 лет в зависимости от трансформатора. Скорость теплового старения «V» изоляции изменяется в зависимости от температуры, она возрастает с ее увеличением и соответственно уменьшается с понижением температуры масла трансформатора [10]. Зависимость скорости теплового старения «V» изоляции от температуры наиболее нагретой точки можно описать с помощью предложенной Монтзингером формулой:

      V = 2 АГ = 2 6 здесь Qh — температура наиболее нагретой точки изоляции в градусах Цельсия, А Т = 6 °С — превышение температуры, вызывающее увеличение скорости теплового старения в два раза, т.е. вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.

      Например, трансформатор проработал один месяц с температурой ННТ, равной 104 °С (превышение составило 104-98=6 °С). Относительная скорость теплового старения изоляции V равна 2. Следовательно, израсходованный срок службы будет равен не одному месяцу, а двум месяцам работы в нормальных условиях. Трансформатор, работающий с превышением температуры ННТ на 6 °С в течение одного месяца, израсходовал такой ресурс, который он израсходовал бы за два месяца, если бы работал при нормальной температуре 98 °С.

      Потеря (расход) Ь срока службы в течение некоторого времени t при постоянной температуре составит Ь = VI. Если относительная скорость теплового старения меняется во времени, то потеря срока службы на интервале времени от 11 до 12 определяется по формуле [11]:

      Проведенные нами экспериментальные работы выявили, что применение комплекса актуально как для новых трансформаторов, так и для трансформаторов с уже имеющейся наработкой.

      Работа комплекса предполагает сбор и обработку данных о температуре программой, полученных по беспроводному каналу связи от измерительно-передающих устройств, установленных на каждом интересующем нас трансформаторе [12]. Данные о температуре каждого трансформатора фиксируются и передаются один раз в минуту на интернет-сервер, не зависимо от того, подключена ли программа к серверу. Конвертация данных о температуре в данные о выработанном ресурсе происходит практически в тот же момент, как только компьютер с установленной программой будет подключен к сети Интернет и вводе логина и пароля пользователя [13]. Программа вырисовывает график температур во времени по каждому трансформатору, с помощью которых можно сделать вывод о загруженности трансформаторов.

      Конструкция измерительно-передаю-щего прибора представляет собой плату на базе программируемого контроллера [14] Arduino UNO [15], накладываемого на нее GPRS шилд [16] и комплект терморезисторов, определяющих температуру, при этом программирование прибора производится через USB кабель в программной среде «С++» [17]. Сборка, программирование и монтаж прибора на трансформатор занимает около 15 минут. Имя каждого прибора может задаваться как порядковым номером, так и неким текстовым описанием, позволяющим более точно и быстро определить, данные какого трансформатора мы получаем [18].

      Рисунок 2 — Сборка измерительно-передающего устройства.

      Для проведения наладочных работ и ввода поправочных коэффициентов в работу программы было проведено экспериментальное опробование прибора: замерен остаточный ресурс трансформатора, имеющегося на базе Нижегородского государственного инженерно-экономического института, методом определения остаточного ресурса по напряжению саморазряда и возвратному напряжению изоляции [19], затем на трансформатор был смонтирован измерительно-передающий прибор. Спустя месяц эксплуатации трансформатора были повторно произведены замеры остаточного ресурса методом контроля качества электрической изоляции по напряжению саморазряда и возвратному напряжению. В результате экспериментальных работ была получена диаграмма температур трансформатора, по которой мы выявили часы наибольших нагрузок и получили данные, подтверждающие правильность работы комплекса.

      Следует отметить, что следующим этапом экспериментальных работ будет установка на измерительно-передающий прибор дополнительного датчика, фиксирующего температуру окружающей среды, с помощью которого можно будет производить анализ влияния окружающей среды на ресурс трансформатора [20].

      В результате проведеного исследования были выявлены и проанализированны проблемы современной энергетики: неспрогнозированные отказы работы трансформаторного оборудования, изучены и проанализированы имеющиеся на сегодняшний день решения проблемы: определение остаточного рессурса трансформаторов по сопротивлению изоляции, выявлены минусы имеющихся решений: требуется отключение трансформатора от сети, непосредственное участие человека, не имеет возможности мониторинга на удаленном доступе, нет возможности определения часов наибольшей нагрузки, недостаточная точность в связи с возможными перегрузками трансформатора после замеров.

      В работе описан прибор, который учитывает все минусы и недостатки предшедственников, позволяющий избежать человеческого фактора. Данный прибор способен спрогназировать с очень высокой точностью последующий ремонт или замену трансформатора, следовательно повысить качество электроэнергии и снизить ее себестоимость.

      Температуре: 26.00 I: 0.000244140625

      Остаточный ресурс: 29:5:13:23:22 (Г:М:Д:Ч:М)

      Рисунок 4 — Результаты измерений, отображаемые на дисплее ноутбука

      1. Серебряков А. С. Определение оставшегося ресурса главной изоляции распределительных трансформаторов // Электротехника. 2013. № 6. С. 2-8.

      2. Водянников В. Т. Анализ динамики роста тарифов на электрическую энергию Вестник федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования // Московский государственный агроинженерный университет им. В. П . Горячкина. 2012. № 1 (52). С. 124-127.

      3. Воропай Н. И. Разработка оборудования и систем управления крупных энергетических систем // Отчет о НИР № 02.527.11. 0004 от 23.06.2008 (Министерство образования и науки РФ).

      4. Васин В. П. Оценки выработанного ресурса изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов // Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2009. № 2. С. 37-41.

      5. Вавилова Е. В. Топливно-энергети-ческий комплекс России и его роль в позиционировании страны в системе мирового хозяйства // Вестник Российского государственного торгово-экономического университета (РГТЭУ). 2008. № 2.

      6. Манусов В. З. Статистика дефектов, приведших к выходу из строя силовых трансформаторов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 1. С. 405-407.

      7. Семенов Д. А. Результаты измерений параметров корпусной изоляции автотрансформатора класса 500 кВ // Вестник НГИЭИ. 2013. № 6 (25). С. 96-106.

      8. Семенов Д. А., Серебряков А. С. Диагностика главной изоляции трансформаторов продольной линии электроснабжения железных дорог. // Электротехника. 2013. № 6. С. 2-8.

      9. Серебряков А. С., Семенов Д. А. Устройство для измерения израсходованного срока службы

      электрической изоляции электрооборудования // Карельский научный журнал. 2014. № 4. С. 178-180.

      10. Васин В. П., Долин А. П. Оценки выработанного ресурса изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов // Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2009. № 2. С. 37-41.

      11. Васин В. П., Долин А. П. Ресурс изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов // Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2008. № 3. С. 12-17.

      12. Дегтярев В. В. Комплекс локальной мобильной связи tetra быстрого развертывания (кобр) // Патент на полезную модель RUS 88890 09.04.2009

      13. Касенова М. Б. Администрация адресного пространства Интернета (iana) в трансграничном механизме управления Интернетом. // Евразийский юридический журнал. 2013. № 2 (57). С. 63-67.

      14. Кулаковский К. А. Оконечное оборудование пользователя для обработки данных о жилищно-коммунальных услугах. // Патент на полезную модель RUS 67708 26.12.2005.

      15. Электронный конструктор arduino. [Электронный ресурс]. URL: http://arduino.ru /Hardware /ArduinoBoardüno (дата обращения 20.11.2014).

      16. Амперика. [Электронный ресурс]. URL: http: //amperka.ru/collection/boards?page=3 (дата обращения 20.11.2014).

      17. Материал из Википедии — свободной энциклопедии [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B (дата обращения 22.11.2014).

      18. Амперика сенсоры. [Электронный ресурс]. URL: http: // amperka. ru /collection /sensors (дата обращения 22.11.2014).

      19. Cyberleninka [Электронный ресурс]. URL: http://cyberleninka.ru/ article/n/monitoring-izolyatsii-trans formatorov-v-protsesse-kspluatatsii (дата обращения 22.11.2014).

      20. Вэлта-центр [Электронный ресурс]. URL: http: // velta-c.ru / catalog / ab / transformator / (дата обращения 22.11.2014).

      THE DEVICE FOR MEASUREMENT OF RESIDUAL LIFE TRANSFORMERS IN INTERACTIVE MODE

      А. А. Guzanov, the student of the third course of the chair «Informational technologies and systems of net» V. G. Krestinkov, the student of the fourth course of the chair «Electrification and automatization» D. А. Semenov, the candidate of technical sciences, the associate «Электрификация и автоматизация» Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino (Russia)

      Annotation. Currently, energy is already quite well developed, but nevertheless there are problems. One of them is that at the present stage of operation of energy systems for more than 70% of the main transformer equipment already exhausted their resources of time, regulated by the normative documents. In this regard, in the modern energy industry recorded a large number of sudden failures that lead to a decrease in the quality of electricity, as well as to increase its cost since the hot fix sudden failure requires significantly more funding, unlike scheduled maintenance [2]. To prevent sudden failures in power systems, it is necessary to control many parameters of the energy complex [3], one of them is — residual life of transformers. Control of this parameter is as necessary to justify the selection of priority replacement of this equipment. The solution to this problem is a device that measures the remaining life of transformers. To date, one such device is the quality control of electrical insulation, specifying the residual life of the transformer voltage and discharge return voltage. This technique is quite effective, but has several disadvantages: requires direct human intervention, nor can you work when included in network equipment, has no opportunity for remote work, data obtained on the residual resource is valid only at the time of measurement [1]. After analyzing the operations of the above method, developed following a device that allows you to measure the remaining life of transformers without human intervention, without disconnecting the equipment from the network, allowing to observe the data at any time. This device monitors the residual resource according to the temperature of the heated point (MHP) of the transformer [4].

      Keywords: energy, transformer, residual life, developed the resource, the rule of Montzinger, the rate of thermal aging of the insulation, the most heated point, the insulation resistance.

      cyberleninka.ru

    Закрыть меню