Диагностика трансформаторов и шунтирующих реакторов - Результаты тепловизионного контроля

Приложение В

Методы, средства и обработка результатов тепловизионного контроля силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов и их вводов

Данный раздел относится к измерению температурных полей поверхностей баков силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов и их вводов. Измерения выполняются на рабочем напряжении в условиях эксплуатации.

1. Пояснения терминов, используемых в тексте

В разделе применяются следующие термины:
превышение температуры – разность между измеренной температурой нагрева и температурой окружающего воздуха;
избыточная температура – превышение измеренной температуры контролируемого узла над температурой аналогичных узлов, находящихся в одинаковых условиях;
термографическая информационная функция (ТИФ) – пространственная свертка термограммы;
коэффициент дефектности – отношение измеренного превышения температуры контактного соединения к превышению температуры, измеренному на целом участке шины (провода), отстоящем от контактного соединения на расстоянии не менее 1 м;
контакт – токоведущая часть аппарата, которая во время операции размыкает и замыкает цепь;
контактное соединение – токоведущее соединение (болтовое, сварное, выполненное методом обжатия), обеспечивающее непрерывность токовой цепи;
аномалия – местное изменение температуры (избыточная температура) на некотором малом участке поверхности бака, характеризуется средней и максимальной температурой пятна;
наиболее вероятное значение температуры – значение температуры в максимуме термографической информационной функции.

2. Используемая аппаратура
При тепловизионном контроле электрооборудования должны применяться тепловизоры третьего поколения с разрешающей способностью не хуже 0,1°С, предпочтительно со спектральным диапазоном 8-12 нм (область относительной спектральной прозрачности атмосферы).

3. Методические аспекты

Оценка теплового состояния электрооборудования и токоведущих частей проводится путем сравнения измеренных значений температуры в пределах фазы, между фазами, с заведомо исправными участками, в зависимости от условий работы и конструкции и может осуществляться:
- по нормированным температурам нагрева (превышениям температуры);
- по избыточной температуре;
- по коэффициенту дефектности;
- по динамике изменения температуры во времени.
Значительный объем практических измерений выполненный на электрооборудовании при различных погодных условиях показывает, что в плане повышения обнаружительной способности при выявлении дефектных аппаратов необходимо соблюдение целого ряда условий. Последнее связано с чрезвычайно низким уровнем тепловыделений в изоляционной конструкции и низким температурным контрастом обусловленным, как предельной чувствительностью тепловизоров и их временной нестабильностью, так и влиянием оптических свойств поверхности и воздействием окружающей среды.
При практическом выполнении обследований необходимо руководствоваться следующими положениями:
- тепловизор следует ориентировать относительно нормали к поверхности измерения:
для металлических поверхностей – в пределах 0-40°;
для окрашенных поверхностей и диэлектриков – в пределах 0-60°;
- Измерения необходимо поводить в сухую безветренную погоду при положительных температурах желательно в наиболее жаркий период 20-25 °С и скорости ветра не более 2 м/с;
- В предшествующие измерениям сутки не должны выпадать осадки, а день должен быть солнечным;
- термографирование трансформаторов следует проводить не ранее 3 часов после захода солнца (установление режима регулярного теплообмена), допускается проведение измерений в дневное время при наличии плотной облачности;
- Токовая нагрузка по линии в предшествующий измерениям период 10-12 часов возможно более близкая к номинальному значению;
- Анализ термограмм и термографических информационных функций проводить по тождественным областям поверхности бака и фарфоровой покрышки;
- проводить ежегодный контроль метрологических параметров тепловизоров с использованием аттестованных моделей абсолютно черного тела;
- элементы конструкций баков окрашены, и в этом случае необходимо ориентироваться на коэффициент излучения покрытия.

4. Тепловизионный контроль контактных соединений

Оценка состояния контактных соединений производится путем сравнения температуры однотипных контактов, находящихся в одинаковых условиях по нагрузке и охлаждению, а также сравнением температуры контактного соединения и сплошных участков токоподводов:
1) При контроле контактных соединений тепловизор следует располагать возможно ближе к ним, расстояние 30...40 м является предельным при такого рода измерениях, или пользоваться объективами с углом обзора 7°;
2) Измерения не следует проводить во время дождя, скорость ветра не должна превышать 4 м/сек. При больших скоростях ветра следует вводить поправки;
3) Измеренные значения температур или перегрева следует корректировать с учетом нагрузки, излучательной способности измеренных объектов и атмосферных условий;
4) Выявление дефектов контактных соединений необходимо проводить при нагрузках, близких к номинальному значению. При Iнагр < 0,5 Iном измерения проводить не рекомендуется;
5) Рекомендуемая периодичность проведения измерений – один раз в год, а также после проведения ремонта оборудования и ревизии контактных соединений;
6) Характеристикой контакта, определяющей его техническое состояние, является «Превышение температуры» - DТ;
При отбраковке контактных соединений рекомендуется для эксплуатирующего персонала использовать критерии отбраковки, приводимые в табл. В.1.

Таблица В.1 – Температурные критерии оценки технического состояния контактных соединений

5. Метод анализа термографических функций

Первичной информацией являются термограммы объектов контроля полученные с боковых поверхностей с помощью тепловизоров, имеющих выход исходной информации в цифровом виде.

5.1. Основные положения
Метод анализа термографических информационных функций (далее метод ТИФ) позволяет на рабочем напряжении выявлять в активной части трансформаторов скрытые дефекты следующих видов:
- появление магнитных полей рассеяния за счет нарушения изоляции отдельных элементов магнитопровода, возникновение контуров тока по баку (ярмовые балки, дистанцирующие домкраты, консоли, шпильки и др.);
- нарушения в работе охлаждающих систем (маслонасосы, фильтры, двигатели вентиляторов, теплообменники);
- изменения в циркуляции масла в баке (образование застойных областей) в результате конструктивных недоработок, появления шлама, разбухания или смещения изоляции обмоток (актуально для трансформаторов со значительным сроком службы);
- нагревы внутренних контактных соединений обмоток с выводами;
- витковые замыкания встроенных трансформаторов тока;
- дефекты контактной системы РПН, ПБВ;
- повышенные диэлектрические потери в изоляции вводов, разгерметизацию высоковольтных вводов.
Первичной информацией являются термограммы объектов контроля, полученные с боковых поверхностей и с крышки колокола, а также термограммы вводов, маслонасосов, маслоохладителей, адсорбционных фильтров.

5.2. Обработка термограмм для получения ТИФ
Распределение температур по поверхности трансформатора Т(x,y) несет информацию следующего характера:
- о наличии распределенных источников тепловыделения в активной части;
- об эффективности системы охлаждения;
- о наличии локальных температурных аномалий, обусловленных скрытым дефектом термического характера.
При анализе термограмм учитывается статистические свойства излучаемой поверхности, особенности конструкции и учет конструктивных элементов частично экранирующих объект контроля и т.д. Таким образом, функция Т(x,y) содержит информацию обо всех указанных выше явлениях.
5.2.1 Обработка термограмм
Исходная функция двумерного распределения температуры по поверхности объекта контроля Т(x,y) представляется термограммой. Полученная термограмма (рис. В.1 «а») интегрируется в пределах [x1, x2] [y1, y2] для получения упорядоченного массива, представленного таблицей, рис. В.1 «в».

Рис. В.1 Операция преобразования термограммы (поз. "а") в координатах [x1x2; y1y2] с помощью программы [Micron] в упорядоченный ряд (поз. "с"). Параметры таблицы:
t – температура; Fn –относительный размер поверхности зоны с температурой t°n.

5.2.2 Построение термографической информационной функции
Информационная таблица (рис. Б.1 «с») с помощью прикладной программы Micron преобразуется в ТИФ, рис. В.2.

Рис. В.2 Алгоритм преобразования "информационной таблицы" в ТИФ.

При проведении описанного преобразования предварительно производится выделение объекта или его фрагмента из термограммы.
5.2.3 Информационные характеристики ТИФ
Стилизованная ТИФ в виде функции F(t°) представлена на рис. В.3. Указанная функция F(t°) имеет следующие информационные признаки:

Рис. В.3 Иллюстрация преобразования информации из тепловизионной картины «а» в термографическую информационную функцию «б» для термограммы фрагмента бака трансформатора при наличии фона: 0-20 °С– зона фоновых помех, не учитывающаяся при анализе; 20-60 °С – ядро функции, определяющее тепловое состояние объекта (бак, фрагмент бака), т.е. разность между процессами выделения тепла и охлаждения; 50 °С – мода №1 соответствует наличию тепловой аномалии, т.е. теплового дефекта в активной части; 70 °С – мода №2 на «хвосте» распределения определяет наличие значительных перегревов небольших участков (в данном случае нагрев контактного соединения нулевого ввода).

5.2.4. Анализ ТИФ
Значение F(t°) при данной величине температуры (рис. В.3 «в») характеризует относительный размер поверхности объекта с данной температурой t°. В качестве иллюстрации на рис. В.4 показана «ТИФ» реального объекта при наличии некоторых тепловых аномалий.

Рис. В.4 Термографическая информационная функция реального объекта с тепловыми дефектами после обработки (локального усреднения излучательной способности поверхности объекта и сплайн аппроксимации).

ТИФ эталонного объекта формируют путем статистической обработки и усреднения кривых на объектах в «Норме». При недостатке статистических данных за эталонную ТИФ принимается ТИФ объекта с минимальным тепловыделением из нескольких (не менее двух) объектов в тождественных условиях (в случае нескольких однофазных аппаратов) за эталонную функцию можно принять значение с минимальным значением интеграла тепловых диссипаций (1).
Уровень мощности диссипационных тепловых процессов (в данном диапазоне температур t1, t2) как всего объекта, так и отдельных фрагментов рассчитывается из выражения:
,                                                               (1)
где: t1, t2 – интервал интегрирования по температуре t1, t2;
F(t) - ТИФ эталонного и измеряемых объектов.

6. Оценка технического состояния трансформатора по анализу термографических функций

6.1. Оценка технического состояния по анализу тепловых потерь в активной части трансформатора
Анализ проводится по сопоставлению трансформатора, принимаемого за "эталон", рис. В.5, кривая 1, с испытуемым трансформатором, рис. В.5, кривая 2. В данном процессе первоначально необходимо исключить влияние системы охлаждения путем прямых измерений расхода масла и среднемассовых температурных перепадов на холодильнике.

Рис. В.5 ТИФ эталонного (кривая 1) и испытуемого (кривая 2) объектов.

В качестве критерия для оценки мощности диссипационных явлений в трансформаторе используется коэффициент дефектности, определяемый критериальным соотношением:
,                                                                (2)
где: ,
(Расчеты интегралов до численных значений проводятся по программам "Mathcad-11").
Оценка технического состояния по тепловыми условиям производится по уровню коэффициента Кдис в соответствии с табл. В.2.

Таблица В.2

6.2 Классификация технического состояния по наличии локальных тепловых аномалий
Анализ ТИФ проводится по сопоставлению мощностей диссипаций по ограниченной площади в зоне температурной аномалии в соответствии с подходом, указанным на рис. В.6.

Рис. В.6 Иллюстрация процедуры оценки коэффициента дефектности при наличии локальной тепловой аномалии (кривая 2).

Расчет интегралов в программе “Mathcad-11” проводится в пределах t1 и t2, определенных по полувысоте переднего фронта - кривой – 2 (рис. В.6.).
В качестве критерия для оценки технического состояния используется коэффициент дефектности локальной тепловой аномалии (Каном.), определяемый соотношением (3)
,                                                             (3)
где:  
Оценка степени развитости локального дефекта объекта контроля, производится аналогично в соответствии с табл. В.2.

6.3 Анализ тепловых явлений при вариации мощности трансформатора
Признаком "Нормы" является линейная зависимость уровня тепловых потерь определенной по сдвигу ТИФ, от мощности нагрузки.
Нелинейный рост мощности тепловыделений, от мощности нагрузки трансформатора является признаком существования дефекта.

6.4 Анализ эффективности работы системы охлаждения
Для определения технического состояния радиаторов или теплообменников системы охлаждения проводится специальные опыты на постоянной мощности трансформатора:
- эталонным является ТИФ при работе всей системы охлаждения;
- измеряемыми являются ТИФ при работе:
без секции охлаждения №1;
без секции охлаждения №2 (но с включенной секцией №1);
и т.д.
По полученным значениям Кдис. и Каном. можно судить о эффективности системы охлаждения и необходимости ее ремонта.
Примечания о принципах метода.
1) Источниками тепловыделения в трансформаторе являются:
- магнитопровод, массивные металлическое части трансформатора, в том числе бак, прессующие кольца, экраны, шпильки, консоли, в которых тепло выделяется за счет потерь от вихревых токов, наводимых полями рассеяния;
- токоведущие части вводов, где тепло выделяется за счет потерь в токоведущей части и переходных контактных соединениях отвода обмотки;
- переходные контактные соединения РПН и ПБВ.
Таким образом, задачей диагностики является обнаружение слабых тепловыделений в указанных узлах и их проявлением на поверхности. Это и выполняется применением ТИФ.
2) Отвод тепла от источников нагрева к маслу осуществляется путем конвекции, в связи с чем, температурные контрасты на поверхности бака имеют незначительную величину и размыты на относительно значительной поверхности. Учет данного физического эффекта и положен в основу настоящего функционального метода обнаружения тепловых дефектов на силовых трансформаторах, автотрансформаторах и шунтирующих реакторах.

6.5 Анализ технического состояния узла РПН
При наличии ухудшения контактных узлов в РПН появляются дополнительные тепловыделения, которые приводят к возрастанию температуры в данном трансформаторе в сопоставлении с другими трансформаторам аналогичного типа, работающими на данной станции при близких нагрузках. Значимыми являются перепады температур ΔТ ≈ 1 °С. При наличии превышения температур данный РПН требует проведения дополнительных обследований (измерение ЭРА, анализ масла).