Как оценить состояние трансформаторов по данным вибрационной диагностики?

Одним из ключевых требований для бесперебойной работы электрических сетей является обеспечение надежной и бесперебойной работы силовых трансформаторов. В связи с этим является актуальной проблема оценки состояния трансформатора в целях принятия решения о его дальнейшей эксплуатации или выводе в ремонт.

Известно, что вибрационная диагностика является одним из наиболее распространенных способов оценки состояния различного оборудования. В частности, в сфере электроэнергетики широко используются методы вибродиагностики и вибрационного мониторинга турбин, генераторов, насосов, электродвигателей.

Ряд исследований ([1,2]) показывают, что вибрационная диагностика может быть также использована и для оценки состояния трансформаторов, при этом, согласно [1], преимуществами оценки состояния по данным вибрации являются:

• возможность определения состояния трансформатора во время его работы под напряжением;
• высокая точность;
• чувствительность дефектам различной стадии развития, в том числе и к зарождающимся дефектам.

Необходимо отметить, что описанные выше преимущества определяются тем, что основные источники вибрации трансформатора делятся на два типа [2]:

• вибрация сердечника,
• вибрация обмоток.

Вибрация сердечника, в свою очередь, также имеет два источника:

• вибрацию, вызванную магнитострикцией,
• вибрацию, возникающую в воздушных зазорах.

Вибрация обмоток обусловлена действием силы Лоренца, величина которой зависит от плотности тока и плотности потока рассеяния. Рассматриваемая вибрация, возникающая в обмотках и сердечнике, распространяется через трансформаторное масло и может быть зафиксирована акселерометрами, расположенными на стенках бака.

В силу того, что частота магнитострикционных сил в два раза больше частоты питания, то значение основной частоты вибрации сердечника — 100 Гц. Эту же частоту имеют вибрация, вызванная воздушным зазором, возникающим вследствие магнитного отталкивания между пластинами, и вибрация обмоток. Однако, вследствие насыщения магнитопровода в спектре вибрации появляются также гармоники 300 и 500 Гц [1].

Необходимо отметить, что с целью разделения «вклада» обмоток и магнитопровода в общую вибрационную характеристику некоторые источники ([1,2]) рекомендуют проводить измерения дважды:

• В режиме холостого хода, когда электродинамические силы в обмотках незначительны, и, соответственно, основной вклад в вибрацию вносит магнитопровод;
• Под нагрузкой, в данном случае в вибрации присутствуют обе составляющие.

Как и в случае с вибродиагностикой подшипников, передач, двигателей [3] можно выделить критерии, рассчитываемые по данных во временной и частотной областях.

Кроме оценки общего уровня вибрации по среднеквадратическим значениям виброускорения или виброскорости, во временной области для диагностики наиболее часто используются коэффициент асимметрии и коэффициент эксцесса [2]. Первый из упомянутых коэффициентов рассчитывается по формуле:

Где

– среднее значение отсчетов сигнала за выбранный период;

• n – количество отсчетов сигнала за выбранный период;
• D – среднеквадратическое отклонение отсчетов сигнала, рассчитываемое по формуле:

Коэффициент эксцесса рассчитывается по формуле:

При нарушении прессовки магнитопровода сила прижима стальных пластин уменьшается, что приводит к асимметрии кривой плотности вероятности амплитуды сигнала, при этом увеличиваются значения как коэффициента эксцесса, так и коэффициента асимметрии.

При анализе в частотной области применяются широко используемые методы, например анализ спектра виброускорения или виброскорости на наличие определенных гармоник [1]. Однако данные методы обладают низкой чувствительностью на начальных этапах развития дефектов [1], поэтому в некоторых источниках предлагаются диагностические критерии центральной частоты сигнала [2], а также использование для диагностики вейвлет-преобразований ([1,2]).

Центральная частота рассчитывается по формуле:

Где

– центральная частота;

– функция зависимости спектральной плотности мощности от частоты.

При этом [2] если центральная частота имеет значение более 300 Гц, то с большой долей вероятности имеют место дефекты сердечника, в случае, если центральная частота находится в диапазоне от 100 до 200 Гц — дефекты обмоток.

Однако [2], анализ как во временной, так и в частотной области может приводить к ошибкам, поэтому в некоторых работах [4] делается вывод о необходимости применения методов, работающих одновременно и в частотной, и во временной областях. Одним из таких методов является вейвлет-анализ. Вейвлет анализ представляет собой математическую технику разложения сигнала на ряд частотных составляющих, позволяющую оценивать как упомянутые частотные составляющие, так и их временную локализацию.

В [4] было проведено исследование трансформатора мощностью 630 кВА, включающее в себя измерение и вейвлет-анализ вибрации, возникающей при начале работы трансформатора без нагрузки. На рисунке ниже показана схема установки акселерометров.

Схема установки акселерометров при проведении вейвлет-анализа

В рассматриваемом исследовании был проведен ряд опытов, в ходе которых проводились замеры как исправного трансформатора, так и трансформатора с внесенным дефектом (ослаблением верхнего ярма сердечника как частичным, так и полным). Результаты измерений приведены на рисунке ниже.

Результаты вейвлет преобразования для трансформатора без дефекта (а), с частичным (б) и полным (в) ослаблением верхнего ярма

Из приведенных выше рисунков видно, что по мере усиления дефекта сначала уменьшается амплитуда основной гармоники, частота которой на исправном трансформаторе равна 100 Гц, а затем меняется и частота основной гармоники.

Таким образом, в данной статье были рассмотрены основные методы вибрационной диагностики, применимые к оценке состояния трансформаторов, выделены основные группы подобных методов: работающие во временной области, в частотной и одновременно в двух областях. Были приведены преимущества и недостатки каждой из групп методов.

Список литературы

1. Низамиев М.Ф., Басенко В.Р.., Ившин И.В., Владимиров О.В., Хуснутдинов А.Н., Андреев Н.К. Диагностика трансформаторов электротехнических комплексов с использованием бесконтактных лазерных виброметров // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2022. pp. 97-108.
2. Shengchang J., Ping S., Yanming L., Dake X., Junling C. The vibration measuring system for monitoring core and winding condition of power transformer // roceedings of 2001 International Symposium on Electrical Insulating Materials (ISEIM 2001). 2001 Asian Conference on Electrical Insulating Diagnosis (ACEID 2001). Химеджи, Япония. 2001. pp. 849-852.
3. Корпий В.Г., Солопов Р.В., Соколов И.Н. Методы и оборудование для определения состояния энергетического оборудования по данным вибродиагностического исследования // ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОНОМИКА (электроэнергетика, электротехника и теплоэнергетика). Сб трудов XX-ой Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Смоленск. 2003. Vol. В 3 т. Т 1. pp. 82-86.
4. Sebastian Borucki A.C. Wavelet Analysis of Vibroacoustic Signals Registered During the Transformer Start-up // International Conference on High Voltage Engineering and Application. Шанхай, Китай. 2012. pp. 579-582.