Определение ресурса изоляции силовых трансформаторов Васин В.П. – ООО НТЦ «ЭДС»

Определение ресурса изоляции
силовых трансформаторов
Васин В.П. – ООО НТЦ «ЭДС»
Долин А.П. – ОАО «ФСК ЕЭС»
Ресурс трансформатора
это
гарантированная
продолжительность эксплуатации при заданных номинальных
условиях, которая должна рассматриваться с учетом возможности
Ресурс
трансформатора
–
восстановления работоспособности
трансформатора
это
отдельных
узлов
без списания
Основные системы и узлы
Твердая изоляция
Масляная изоляции
Обмотки
Магнитопровод
Вводы
Система регулирования U
Система охлаждения
Система регенерации масла
Бак
На ресурс бумажной изоляции влияют:
- нагрузка трансформатора
- перенапряжения
- температура воздуха
- эффективность работы системы охлаждения
- качество трансформаторного масла и его параметры и др.
Методологическая база определения
ресурса изоляции
Задачи:
1) Определение износа изоляции
(выработанного ресурса)
2) Определение остаточного ресурса
Определение ресурса
Прямые методы –
по степени
полимеризации
- Детерменированные
- Вероятностные
Косвенные методы
1) по интегралу старения (формула
Монтзингера и ее обобщения),
2) по содержанию в масле оксидов
углерода;
3) по содержанию фурановых
производных (формула Чендонга)
Экспертные методы определения ресурса с
применением методов нечеткой логики
Определение ресурса бумажной
изоляции по степени полимеризации
(решение 1)
Срок службы трансформатора ( СИГРЭ )
R= [1/СП(к) - 1/СП(0) ] / (8760K)
R - срок службы, лет;
СП(0)-степень полимеризации
бумажной изоляции неработавшего
трансформатора;
СП(к) - степень полимеризации
бумажной изоляции в конце срока
службы (равная 200-250 единиц)
К - коэффициент старения
Остаточный ресурс трансформатора,
проработавшего Т часов
Rост = [1/СП(к) - 1/СП(Т)] / (8760K)
Гистограмма распределения остаточного
ресурса при неопределенности в СП и
коэффициенте K  10%
(построена методом Монте-Карло)
Средние значения
Степень полимеризации СПср=650 ед.
Коэффициент старения Кср =2.5210-8
Вероятность ресурса
Влияние случайных факторов
на результаты определения
остаточного ресурса по степени
полимеризации изоляции
Распределение (равномерное) на отрезках
СП: ( 0,9 * СПср, 1.1* СПср )
К:
( 0.9* Кср, 1.1*Кср)
Остаточный срок службы
От 14,25 до 16,75 лет
Срок службы, лет

  zz zzв в
Определение ресурса бумажной
изоляции по степени полимеризации
(решение 2)
Решение 1. Формула СИГРЭ соответствует гиперболическому закону изменения СП.
Решение 2. СП изменяется по экспоненциальному закону
Достаточно иметь две точки: 1) t0, CП(t0); 2) t1, CП(t1)
Изменение степени полимеризации (СП)
Постоянная времени деградации
во времени
Тдгд = (t1t0)/ln[1СП(t1)/СП(t0)]
СП(t)= [CП(t0) (1  exp((t t0)/Tдгд)]
Для степени полимеризации бумажной
изоляции в конце срока службы
СП(к) = [CП(t0) (1  exp((Rост-t0)/Tдгд)]
где СП(к) = 200…250 ед
Остаточный ресурс изоляции
Rост = t0+ Тдгд ln[1 – СП(к) /СП(t0)]
Снижение чувствительности к
погрешности – определение Тдгд
по трем и более точкам
(например, методом наименьших
квадратов)
Уравнение теплового старения –
формула Монтзингера
Типичное изменение температуры
наиболее нагретой точки (ННТ)
Относительная скорость старения
(Шаг по оси времени 30 мин)
V()= 2( 98)/= exp[ln2(  98)/], где =6С
Абсолютное износ за промежуток
времени [t0, t0+T ]
45
40
35
30
25
20
t0+T
15
И =  V[(t)] dt
10
5
t0
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
Относительный износ
за промежуток времени [t0,t0+T]
Изменение температуры ННТ
при подъеме нагрузки
t0+T
L(t0,t0+T) = (1/T)  V[(t)] dt
100
t0
95
90
85
Изменение температуры ННТ
в течение 6 суток
(Шаг по оси времени 30 мин)
Ряд1
80
75
120
70
1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
40
43
46
100
Результаты расчета интеграла
старения за 6 суток (144 часа)
Абсолютный износ изоляции - 30,5 ч
Относительный износ изоляции
L = 30,5/144= 0,21
Вывод: Срок службы R  119 лет
80
60
Ряд1
40
20
0
1
21
41
61
81
101 121 141 161 181 201 221 241 261 281 301
Обобщение уравнения теплового
старения
Учет в уравнении старения параметров:
w – влагосодержание твердой изоляции,
K - кислотное число масла,
Скс – концентрация кислорода в масле
Относительный износ
при K >Kбаз , w>wбаз , Скс> Сбаз
t0+T
1
2
3
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
60
50
40
L, И
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
L,И
L,И
L(t0,t0+T)= (K/Kбаз)2,06(w/wбаз)1,493(Скс/Сбаз)2,06ехр[ln2(h –98)/]dt/T
t0
30
20
10
4 1
5
2 6
отношение W/W баз
3
4
0
отношение W/W баз
1
5
2
6
3
4
5
6
отношение K/Kбаз
относительный износ L за 6 суток, отн.ед
относительный износ L за 6 суток, отн.ед
Относительный износ L замг
6 суток, отн.ед
Кбаз= 0,08…0,1
КОН/г
wбаз= 0,3…0,5
абсолютный%
износ И за 6 суток, сутки
абсолютный износ И за 6 суток,
сутки
Абсолютный износ И за 6 суток, сутки
Влияние влагосодержания твердой
изоляции и кислотного числа масла на
скорость старения бумажной изоляции
Повышение скорости старения бумаги
при росте кислотного числа масла
4,5
4
3,5
Vк.ч.
3
2,5
Ряд1
2
1,5
1
0,5
0
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2
Кч/Кч.баз
Применение методов случайных
процессов
1) Абсолютный износ равен сумме износов за каждый год эксплуатации
И (n) = И1+И2+...+Иn
2) Износ за каждый год Иk являетcя случайной величиной (СВ) с
математическим ожиданием (МО) mk и СКО k
3) Износы в различные годы – независимые случайные величины (СВ)
4) Абсолютный износ за год равен его относительному износу
Иk= Lk (k = 1, 2,…,n)
5) Относительный износ за n лет равен среднему относительному износу за
год
L (n) = (L1+L2+...+Ln) / n
6) Условие сохранения работоспособности изоляции: сумма начального износа
И0 и износа за n лет не превышает предельного значения Ипр
И0+ И(n) Ипр,
где Ипр – предельно допустимый износ – это износ при скорости старения
изоляции равной единице в течении 25 лет
25
Ипр =  1*dt = 25 лет.
0
Применение методов случайных процессов
Задача найти такое число лет дальнейшей эксплуатации
(гамма-процентный ресурс изоляции) n () , что с вероятностью
 износ изоляции будет меньше предельного Ипр
n()= [-0,5X+(0,25 X2+(0 /)2+(Ипр- m0)/m)0.5 ]2 –(0/)2
где m - ожидаемое значение годового износа;
 - СКО годового износа;
m0 – ожидаемое значение износа на начало рассмотрения;
0 - СКО начального износа;
 - гарантия безопасности, принимая равной 0,9-0,95 (90%-95%)
X - квантиль нормального распределения уровня 
Предполагаемая зависимость
изменения во времени вероятности
того, что износ изоляции меньше
предельно допустимого.
вероятность, что износ изоляции
меньше предельно допустимого
1,02
1
0,98
0,96
0,94
0,92
0,9
0,88
0,86
0,84
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
годы эксплуатации
Изменение во времени вероятности, что ресурс износ изоляции меньше
предельного
Гарантия безопасности гамма=0,94
Гарантия безопасности  = 94%.
Начальный (израсходованный ресурс)
– 25 лет.
Остаточный ресурс -16 лет,
Определение ресурса бумажной
изоляции по содержанию фурановых
производных
1. Аппроксимация Чендонга
log K2FAL = 1,5 – 0,0035 CП
При K2FAL = 6,3 ppm СП = 200 ед
2. По предельным концентрациям
2.1. Например, Kamamura T. et al (руководство по эксплуатации
трансформаторов
Японии)
а). Концентрация 2FAL K2FAL =1,5 ppm -возможна деструкции
изоляции
б). K2FAL = 15 ppm – критическая концентрация
2.2. Россия - предельные концентрации фурфурола и суммы
производных фурана
Изменение концентрации фурфурола
в масле трансформаторов с глубокой
деструкцией изоляции
4,5
4
3,5
3
2,5
2
Ряд1
1,5
1
0,5
ию
л.
9
ян 9
в.
ию 00
л.
0
ян 0
в.
ию 01
л.
0
ян 1
в.
ию 02
л.
0
ян 2
в.
ию 03
л.
0
ян 3
в.
ию 04
л.
0
ян 4
в.
05
0
6
5
ВЫВОДЫ
1. Формулу Чендонга нельзя
использовать как детерминированную
зависимость между концентрацией 2FAL
и СП, т.к. зависимости концентрации
фурфурола немонотонны.
2. Числовые данные о зоне, близкой к
предельному состоянию по Чендонгу,
подтверждаются отечественной
практикой. Зона предельного состояния
деструкции изоляции находится в
области концентрации 2FAL 6…7 ppm .
Ряд1
4
3
2
1
н.
м 99
ар
.0
се 0
н.
м 00
ар
.0
се 1
н.
м 01
ар
.0
се 2
н.
м 02
ар
.0
се 3
н.
м 03
ар
.0
се 4
н.
м 04
ар
.0
5
0
се
12
10
4
8
3,5
3
6
2,5
2
1,5
1
Ряд1
Ряд1
4
2
0,5
ок
т.
04
ок
т.
03
ап
р.
04
ок
т.
02
ап
р.
03
ок
т.
01
ап
р.
02
ок
т.
00
ап
р.
01
0
ап
р.
00
се
н.
9
ма 9
р.
00
се
н.
0
ма 0
р.
0
се 1
н.
0
ма 1
р.
0
се 2
н.
0
ма 2
р.
0
се 3
н.
0
ма 3
р.
0
се 4
н.
0
ма 4
р.
05
0
Оценка остаточного ресурса
бумажной изоляции по концентрации
фурфурола в трансформаторном масле
1. Выбирается временной участок, на
котором не было замены масла
силикагеля в адсорберах или ТСФ
Концентрация фурфурола в масле и
ее экстраполяция
8
3. По временному ряду стандартными
математическими методами
прогнозируется момент достижения
концентрацией фурфурола
предельного значения 6,3 - 7,0 ppm
4. Этот момент времени принимается
за оценку оставшегося ресурса
бумажной изоляции
7
концентрация, мг/кг
2. Для этого участка строится
временной ряд для концентрации
фурфурола в трансформаторном
масле
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
полугодия
концнтрация фурфурола в масле
экстраполяция роста фурфурола
Экспертная оценка остаточного ресурса
с применением аппарата
нечеткой логики
1. Критерии формирования экспертной группы.
1.1. Состав: аккумуляторы опыта, генераторы идей
1.2.Тестирование: исключение лиц, заинтересованных в
результатах экспертизы, и лиц, склонных к конформизму
2. Информационное обеспечение экспертной группы
2.1. Паспортные данные
2.2. Данные по режимам работы
2.3. Данные диагностического контроля и обследований
(включая временные ряды)
Состав
ремонтов и информация о замене узлов
Объемный 2.4.
ХАРГ-ДИНАМИКА
1
2.5. Перечень отказов
1
18
17
200
2
3
150
16
4
100
15
Уровень I
Уровень II
50
5
0
60
Уровень IV
14
50
6
13
40
7
12
8
11
30
C2H4
20
C2H6
CO2
10
H2
0
1
H2
2
3
CO
4
5
CO2
6
7
CH4
8
9
C2H6
10
C2H2
C2H4
Уровень III
9
10
Уровень V
Предельно
допустимое значение
Построение функции предпочтения по
интервальным оценкам экспертов
1. Оценка (каждым экспертом) нижней (минимальной) и верхней
(максимальной) границы интервала (а,b) ожидаемого остаточного ресурса R
Эксперт №
1
2
3
4
5
6
7
8
a (мин), лет
15
12
14
11
18
15
8
9
b (макс), лет
20
17
18
16
22
20
12
14
2. Составление таблицы границы интервалов a и b в порядке возрастания
8
9
11
12
14
15
16
17
18
20
22
3. Расчет совокупной функции предпочтения ФПР
R, лет
Эксп.1
Эксп.2
Эксп.3
Эксп.4
Эксп.5
Эксп.6
Эксп.7
Эксп.8
ФПР
8
9
10
11
1
1
1/8
1
1
2/8
1
1
2/8
1
1
3/8
12
13
14
1
1
1
1
1
1
1
3/8
1
1
3/8
3/8
15
1
1
1
1
16
1
1
1
17
1
18
1
19
1
20
21
1
1
1
1
3/8
1/8
1/8
1
1
1
1
1
1
5/8
4/8
3/8
3/8
22
δ
A
1
ln m
k  m Ak
Функции предпочтения
0,7
0,6
Функции предпочтения по
результатам оценки 8 экспертами
0,5
0,4
0,3
О
0,2
0,1
0
8
9
10
11
12
m=
13
14
15
16
17
18
19
20
21
R, лет
22
Эксперт
1
2
3
4
5
6
7
8
a, лет
15
12
14
11
18
15
8
9
b ,), лет
20
17
18
16
22
20
12
14
Функции предпочтения после
удаления результатов эксперта
№7 («еретика»)
Вывод. Предпочтительное решение ресурс трансформатора оценивается
значением 15 лет