Завидей В. И., ФГУП «ВЭИ», д.т.н.
Печенкин В. И., руководитель НИОКР ООО «Трансформер», к.т.н.
Каланчин С. В., начальник лаборатории ООО «Трансформер»
Методы тепловизионного контроля, используемые для диагностики силовых трансформаторов, до последнего времени считались вспомогательным средством. В то же время, несомненное преимущество тепловизионных методов – возможность их применения на оборудовании, находящемся в работе, т.е. под нагрузкой. Отсюда широкое применение методов, основанных на инфракрасном излучении, в диагностике технического состояния контактов и контактных соединений электрических линий и ошиновки высоковольтного оборудования, находящихся под напряжением и нагрузкой. К очевидным достоинствам этих методов относятся дистанционность измерений и высокая информативность результатов контроля, что способствует их дальнейшему развитию для целей раннего обнаружения дефектов электрического оборудования.
Следует подчеркнуть, что проблема технического состояния контактов весьма актуальна и для силовых трансформаторов – неудовлетворительное качество контактных соединений приводит к локальному нагреву, повышению электрического сопротивления и росту тепловых потерь, и, как следствие, к ускоренному старению изоляции и снижению ресурса работы. В связи с относительно высоким уровнем повреждаемости существующего парка силовых трансформаторов, снижающим надежность подачи энергии потребителям, на заводе «Трансформер» пришли к необходимости разработки методик раннего обнаружения аномальных дефектов на действующем оборудовании без его отключения. Более того, это позволит на ранней стадии выделить дефекты, обусловленные человеческим фактором или возможными нарушениями технологических норм, допущенных в процессе проектирования и производства трансформаторов.
При анализе результатов тепловизионного контроля необходимо учитывать конструкцию трансформаторов, способ охлаждения обмоток и магнитной системы, условия и продолжительность эксплуатации, технологию изготовления и ряд других факторов. Принцип теплового обследования маслонаполненного оборудования заключается в отображении теплового дефекта в активной части на поверхность бака, не закрытую навесным оборудованием, и последующего выявления этого участка при анализе. Применяя на практике метод тепловизионного контроля для объектов со слабым тепловыделением, специалисты столкнулись с тем, что малые температурные отклонения, свидетельствующие о появлении аномалии в работе оборудования, теряются на фоне более сильных шумов, которые могут быть вызваны различными факторами. Тем не менее, термограмма содержит в себе информацию об искомых температурных изменениях. Задача состоит лишь в том, чтобы их выявить.
Один из способов решения этой задачи был найден благодаря преобразованию двумерного распределения температуры объекта в одномерную функцию, которая является сверткой термограммы по координатам и содержит в себе весь объект измерения или фрагмент его поверхности:
где k (х, у) – коэффициент передачи оптико-электронного тракта, ε (х, у) – значения излучательной способности поверхности.
Введенная функция-свертка объекта, как и исходная термограмма, несет информацию о тепловом состоянии объекта, скрытых источниках тепловыделения, взаимодействии с окружающей средой, статистических параметрах излучаемой поверхности и искажениях, вносимых оптикоэлектронным трактом измерительной системы, а также дает информацию об относительной площади распределения температуры по поверхности объекта контроля.
Нормированный график этой функции («образ» термограммы) является гистограммой распределения площади по температурному диапазону и позволяет определить наиболее вероятные значения температур.
Рис. 1. Термограмма и результат ее преобразования в "образ" для объекта № 1
В качестве иллюстрации метода приведем термограммы и их «образы» для двух объектов:
- объект с однородной температурой поверхности и малыми однородными флуктуациями излучательной способности по поверхности (рис. 1);
- силовой трансформатор ТМГ-630 в начале тепловых испытаний при нагрузке 10 % от Рном (рис. 2).
Как видно из рисунков, элементарное преобразование является функцией Гаусса с ярко выраженным максимумом (наиболее вероятное значение температуры поверхности). Результирующая функция преобразования масляного трансформатора имеет достаточно сложный вид, так как представляет собой суперпозицию элементарных преобразований поверхности объекта, разбитого на небольшие участки, где температура может считаться в пределах погрешности измерений постоянной.
Исходя из этого, можно предположить, что возникновение аномалий, явно не видимых на термограмме, приведет к изменению формы термографической функции F(t°), появлению дополнительных экстремумов или ее смещению в иную температурную зону. Степень отклонения полученного «образа» от эталонного и характеризует меру развития дефекта. Безусловно, все измерения должны производиться при неизменных внешних условиях и нагрузке оборудования. По внешнему виду или расчетным значениям разностной функции F(t°) принимается решение об отсутствии или наличии внутреннего дефекта. Координаты предполагаемого скрытого дефекта определяются по анализу исходной термограммы в пределах температурного интервала Dt°, где модуль разностной функции отличен от нуля.
Рис. 3. Термограмма трансформатора тока принятого за "эталон" и ее образ - а); термограмма и ее образ дефектного аппарата - б)
На рис. 3 приведен пример термограммы и гистограммы трансформатора тока. По сравнению с эталоном пик графика дефектного трансформатора несколько смещен в сторону, появился второй максимум, связанный с дополнительным источником внутреннего повышения температур, и форма гистограммы искажена. В области 16,0…16,5 °С наблюдается тепловыделение. Такие изменения позволяют сделать вывод о появлении аномалии в работе оборудования.
В данном примере таковыми являются участки с температурой в интервале 16,0…16,5 °С. При необходимости проводится анализ термограммы с более высоким температурным разрешением.
 | |
|---|---|
| a) Термограмма температурного поля по поверхности | б) Гистограмма температурного поля бака при нагрузке 110 % Рном |
На рис. 4 приведены термограмма и гистограмма масляного трансформатора, имеющего аномальный тепловой режим – в области 72 °С появляется избыточное тепловыделение. Дополнительные измерения подтвердили нагрев обмоток ВН сверх нормированного значения.
Следующий этап работы – исследование изменения формы «образа» по мере увеличения нагрузки силового трансформатора. На рис. 5 (а, б, в) представлены гистограммы поверхности трансформатора ТМГ-1250 при различных уровнях нагрузки.
а) уровень загрузки 66,6 %
б) уровень загрузки 80 %
в) уровень загрузки 100 %
Рис. 5. Смещение гистограмм по температурной оси для ТМГ-1250 по мере увеличения нагрузки
Как видно, по мере увеличения нагрузки гистограммы смещаются в сторону высоких температур без явного искажения формы. Одновременно производился контроль сопротивлений и температуры обмоток ВН и НН, выводов ВН/НН и температуры масла в верхних слоях в соответствии с программой и методикой испытаний трансформаторов на нагрев. Соответствие измеряемых параметров нормативным значениям и являлось критерием отсутствия аномалий.
Рис. 6. Эталонная термограмма и ее образ, полученный для сухого трансформатора с литой изоляцией ТСЛ "Трансформер" мощностью 1600 кВА при 100 % нагрузке
На рис. 6 представлены эталонная термограмма и ее образ, полученный для сухого трансформатора с литой изоляцией ТСЛ «Трансформер» мощностью 1600 кВА при 100 % нагрузке.
Распределение температурного поля по поверхности обмоток трансформаторов с литой изоляцией характеризуется значительной неоднородностью. Области с максимальными температурами наблюдаются в зонах между обмотками, что связано с ухудшенными условиями теплоотдачи. Гистограмма распределения температур в условиях стабилизации теплового режима при мощности 100 % Рном имеет несколько экстремумов. Наличие нескольких экстремумов характеризует тот факт, что на поверхностях обмоток реализуются несколько зон с различным уровнем тепловыделения и теплоотдачи, и полностью согласуется с конструктивными особенностями сухих трансформаторов с литой изоляцией.
В дополнение к приведенным выше результатам тепловизионного контроля перечислим ряд преимуществ данного метода. Введенная выше функция свертки F(t°) позволяет сравнивать не двумерные, а одномерные массивы данных, что упрощает оперативный анализ состояния трансформаторов. Данная функция инвариантна к поворотам относительно направления визирования и не зависит от пространственных координат объекта, что имеет большое значение для практического применения метода. Изменение внешней температуры окружающей среды приводит к сдвигу кривой по температурной оси с сохранением ее формы, что очень важно для практической термометрии объектов в нестабильных внешних температурных условиях.
У функции-свертки есть еще одно полезное свойство. Увеличение глубины залегания теплового дефекта, конечно, уменьшает уровень температуры, фиксируемой на поверхности. Но это компенсируется увеличением площади поверхности с повышенной температурой. Таким образом, амплитудное значение преобразованной функции становится слабо чувствительным к глубине залегания дефектов.
Практическое применение метода связано с процедурой проведения термосъемки и обработкой данных термограммы. При проведении данных измерений необходимо соблюдение ряда условий, невыполнение которых делает результаты измерений менее достоверными:
- внешние условия (влажность воздуха не более 90 %, скорость ветра не более 2 м/с);
- условия по режиму эксплуатации и времени проведения измерений (токовая нагрузка 0,7–1,0 Iном, спустя 3 часа после захода солнца, с расстояния, при котором изображение объекта заполняет весь кадр и т. д.);
- рекомендации по проведению термографического анализа (использование математических статистических методов обработки температурных данных, воспроизводимость результатов применяемых тепловизионных систем повышается с использованием аттестованных моделей «абсолютно черного тела» для периодической аттестации).
Операции свертки температурного поля объекта, расчет данных гистограммы, а также сравнение образов целесообразно выполнять программным путем. Но у компаний производителей тепловизоров в настоящее время нет прикладного программного обеспечения, которое позволило бы провести такой комплексный анализ.
При относительно простой, например, монотонной функции распределения температурного поля анализ полученного образа и его сопоставление с эталонным можно провести экспертным методом. Такие монотонные температурные распределения характерны, в частности, для трансформаторов с масляным охлаждением.
В случае же, когда картина более сложная, при анализе аномалий в активной части трансформатора необходимо применять методы математической статистики, в частности использовать критерий Колмогорова-Смирнова. Он позволяет с большой вероятностью обнаружить незначительные отклонения между функциями распределения эталона F1(t°) и контролируемого объекта F2(t°), при условии, что число выборок будет достаточно велико.
В заключение отметим, что тепловизионная методика контроля нашла практическое применение на заводе «Трансформер». Дальнейшее развитие позволит нам в ближайшем будущем осуществлять диагностику состояния трансформаторов без их отключения и, следовательно, принимать обоснованные технические решения о необходимости своевременного ремонта оборудования.
Поскольку применение данного метода подразумевает наличие эталонного образа, то принято решение о введении в паспортные характеристики выпускаемых силовых трансформаторов ООО «Трансформер» эталонных термографических данных, полученных в ходе тепловых испытаний всей номенклатуры изделий.
Выводы
1. Показано, что тепловизионный контроль применительно к силовым трансформаторам может использоваться в качестве основного метода для выявления внутренних аномалий, приводящих к изменению термограмм.
2. Предложено, наряду с анализом термограмм, использовать метод их свертки в образ.
3. Приведены результаты термографических исследований силовых трансформаторов в процессе их испытаний на нагрев.
4. Выявлена связь между тепловыми условиями работы составных элементов трансформаторов и появлением на «образе» термограммы дополнительных экстремумов.
Литература
1. Завидей В.И., Крупенин Н.В., Ваньков С.М., Печенкин В.И., Каланчин С.В. Критерий Колмогорова-Смирнова и возможности его применения в диагностике электрооборудования методами ИК-термографии. Сборник «Известия академии электротехнических наук», Москва, № 1, 2012.
2. Завидей В.И., Вихров М.А., Крупенин Н.В., Голубев А.В. Ранняя диагностика энергообъектов, новейшие технологии и приборы. // Энергетика и промышленность России. № 2, 2006, – с. 23.
3. РАО ЕЭС РФ «Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ» РД 153-34.0-20.363-99.