ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2020-5-966-976ipolytech-428Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCEОб эффективности цифровой системы проактивной диагностики силовых трансформаторовOn efficiency of digital system of power transformer proactive diagnosticsАлюновА. Н.AlyunovA. N.

Алюнов Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования

160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15

Alexander N. Alyunov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Electrical Equipment

15 Lenin St., Vologda 160000

alyunov@mail.ruВяткинаО. С.VyatkinaO. S.

Вяткина Ольга Сергеевна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электрооборудования,

160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15

Olga S. Vyatkina, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electrical Equipment

15 Lenin St., Vologda 160000

olga-vyatkina@mail.ruНемировскийА. Е.NemirovskiyA. E.

Немировский Александр Емельянович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрооборудования

160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15

Alexander E. Nemirovskiy, Dr. Sci (Eng.), Professor, Head of the Department of Electrical Equipment

15 Lenin St., Vologda 160000

a.e.nemirovsky@mail.ruВологодский государственный университетРоссияVologda State UniversityRussian Federation202012112020245966976Copyright © Алюнов А.Н., Вяткина О.С., Немировский А.Е., 20202020Алюнов А.Н., Вяткина О.С., Немировский А.Е.Alyunov A.N., Vyatkina O.S., Nemirovskiy A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/428

Цель – диагностирование состояния силового трансформатора путем определения параметров его схемы замещения с помощью синхронизированных векторных измерений токов и напряжений в нормальном режиме работы трансформатора без отключения его от сети, что позволяет достичь повышения надежности срабатывания релейной защиты. Предложен экономически эффективный метод проактивной диагностики силовых трансформаторов, который путем контроля дополнительных параметров (сопротивления короткого замыкания, активного и индуктивного сопротивления прямой последовательности, активного и индуктивного сопротивления обратной последовательности) позволяет повысить быстродействие и точность обнаружения возможных внутренних коротких замыканий, возникающих из-за повреждений в обмотках или высоковольтных вводах трансформатора без отключения диагностируемого трансформатора от сети. Метод позволяет по разнице между рассчитанными параметрами схемы замещения и паспортными значениями параметров судить об исправности и пригодности трансформатора. На основе проведенного анализа количества повреждений силовых трансформаторов, в зависимости от причины возникновения повреждений, определены полные экономические потери, включающие ущерб от повреждения оборудования и ущерб от перерывов в электроснабжении потребителей. Для силового трансформатора номинальной мощностью 63 МВ·А полные экономические потери составили 10687402 руб. Показано, что система диагностики расширяет возможности анализа состояния трансформаторов в рабочих режимах, позволяет предупреждать приближение момента повреждения, предотвратить возникновение внезапных аварий, минимизировать ожидаемый ущерб от перерывов в электроснабжении и выхода из строя оборудования. Предложен программно-аппаратный комплекс для диагностики внутренних повреждений в силовом трансформаторе. Представлены основные характеристики предлагаемого программно-аппаратного комплекса: количество измерительных каналов, класс точности, частота дискретизации и др. Результаты работы расширяют возможности анализа состояния трансформаторов в рабочем режиме и могут быть использованы в мировой практике при построении различных систем мониторинга для выявления развивающихся дефектов трансформаторов, вызванных деформацией обмоток.

The purpose of the paper is to diagnose the state of a power transformer by determining its equivalent circuit parameters by means of synchronized vector measurements of currents and voltages in the transformer normal operation mode without shutdowns, which makes it possible to increase the reliability of relay protection operation. A cost-effective method for proactive diagnostics of power transformers is proposed. Through monitoring of additional parameters (short circuit resistance, active and inductive resistance of the positive sequence, active and inductive resistance of the negative sequence) it can increase the speed and accuracy of detecting possible internal short circuits arising due to winding damage or high-voltage transformer bushings without diagnosed transformer disconnection from the network. The method allows to estimate the transformer health index and serviceability by the difference between the calculated parameters of the equivalent circuit and the passport values of the parameters. Having conducted the damage cause dependent analysis of the number of power transformer damages, the authors determined total economic losses that include the losses caused by equipment damage and losses caused by the interruptions in consumer power supply. The total economic losses for a power transformer with a rated power of 63 MVA amounted to 10687402 rubles. It is shown that the diagnostic system expands the possibilities of analyzing the transformer state in operating modes, allows to prevent the approaching of the damage moment and occurrence of sudden accidents as well as minimizes the expected damage from shutdowns and equipment failure. A hardware and software complex is proposed for the diagnostics of power transformer internal damage. The given main characteristics of the proposed hardware and software complex include the number of measuring channels, accuracy class, sampling frequency, and others. The results of the work expand the possibilities of analyzing the transformer state in the operating mode and can be used in the world practice of creating various monitoring systems designed to identify the defects developing in transformers caused by winding deformation.

силовой трансформаторповреждения трансформаторовдеформация обмотокпроактивная диагностикаэкономический ущербпрограммно-аппаратный комплексpower transformertransformer damagewinding deformationproactive diagnosticseconomic losssoftware and hardware complexReferencesВанин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю., Неклепаев Б.Н., Антипов К.М., Сурба А.С. [и др.]. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110–500 кВ в эксплуатации // Электрические станции. 2001. № 9. С. 53–58.Vanin BV, Lvov YuN, Lvov MYu, Neklepaev BN, Antipov KM, Surba AS, et al. On damage of 110–500 kV power transformers when in operation. Elektricheskie Stantsii = Power Technology and Engineering. 2001;9:53– 58 (In Russ.)Patent no. JP2013061310A, Japan. Method and device for diagnosing soundness in transformer / S. Miyazaki, Yo. Yamamasu, H. Sakaki. Publ. of 04.04.2013.Miyazaki S, Yamamasu Yo, Sakaki H Method and device for diagnosing soundness in transformer. Patent Japan, no. JP2013061310A; 2013.Patent no. CH104076227A, China. Three-phase threewinding transformer fault area diagnostic method / Z. HuiMin. Publ. of 01.10.2014.Hui-Min Z. Three-phase three-winding transformer fault area diagnostic method. Patent China, no. CH104076227A; 2014.Mostafaei M., Faiz J., Venikar P.А., Ballal M.S. Turn-to-turn fault monitoring methods in electrical power transformers – State of the art // International Transactions on Electrical Energy Systems. 2018. Vol. 28. Issue 12. https://doi.org/10.1002/etep.2644Mostafaei M, Faiz J, Venikar PА, Ballal MS. Turn‐to‐ turn fault monitoring methods in electrical power transformers – State of the art. International Transactions on Electrical Energy Systems. 2018;28(12). https://doi.org/10.1002/etep.2644Kuniewski M. FRA Diagnostics measurement of winding deformation in model single-phase transformers made with silicon-steel, amorphous and nanocrystalline magnetic cores // Energies. 2020. Vol. 13. Issue 10. Р. 2424. https://doi.org/10.3390/en13102424Kuniewski M. FRA Diagnostics measurement of winding deformation in model single-phase transformers made with silicon-steel, amorphous and nanocrystalline magnetic cores. Energies. 2020;13(10):2424. https://doi.org/10.3390/en13102424Haghjoo F., Mostafaei M., Mohammadi H. A new leakage flux-based technique for turn-to-turn fault protection and faulty region identification in transformers // IEEE Transactions on Power Delivery. 2018. Vol. 33. No. 2. Р. 671–679. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2017.2688419Haghjoo F, Mostafaei M, Mohammadi H. A new leakage flux-based technique for turn-to-turn fault protection and faulty region identification in transformers. IEEE Transactions on Power Delivery. 2018;33(2):671–679. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2017.2688419Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов // Энергетика и менеджмент. 2011. № 1. С. 40–45.Bartli U. Transformer damage overview. Energetika i menedzhment. 2011:1:40–45. (In Russ.)L’vov M.Yu., L’vov Yu.N., Dement’ev Yu.A., Antipov K.M., Surba A.S., Sheiko P.A., et al. Reliability of power transformers and autotransformers of electric networks // Power Technology and Engineering. 2006. Vol. 40. Р. 55–60. https://doi.org/10.1007/s10749-006-0020-xL’vov MYu, L’vov Yu.N., Dement’ev Yu.A., Antipov K.M., Surba A.S., Sheiko P.A., et al. Reliability of power transformers and autotransformers of electric networks. Power Technology and Engineering. 2006;40:55–60. https://doi.org/10.1007/s10749-006-0020-xЛьвов М.Ю. Силовые трансформаторы на 110 кВ и выше. Будущее определит диагностика // Новости электротехники. 2003. No. 6. [Электронный ресурс]. URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2003/24/12.php (12.05.2020).Lvov MYu 110 kV and more powerful voltage transformers. Diagnostics will determine the future. Novosti elektrotekhniki. 2003;6. Available from: http://www.news.elteh.ru/arh/2003/24/12.phpzavedeniya [Accessed 12th May 2020]. (In Russ.)Alyunov A.N., Vyatkina O.S., Mukhametova L.R., Markovskiy V.P., Mustafina R.M. Automation of calculations of power transformers windings parameters taking into account the position of the voltage regulator // International Scientific and Technical Conference Smart Energy Systems 2019: E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 124. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912402016Alyunov AN, Vyatkina OS, Mukhametova LR, Markovskiy VP, Mustafina RM. Automation of calculations of power transformers windings parameters taking into account the position of the voltage regulator. In: International Scientific and Technical Conference Smart Energy Systems 2019: E3S Web of Conferences. 2019;124. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912402016Tahir M., Tenbohlen S., Samimi M.H. Evaluation of numerical indices for objective interpretation of frequency response to detect mechanical faults in power transformers // Proceedings of the 21st International Symposium on High Voltage Engineering. 2020. Vol. 598. Р. 811–824. https://doi.org/10.1007/978-3-030-31676-1_76Tahir M, Tenbohlen S, Samimi MH. Evaluation of numerical indices for objective interpretation of frequency response to detect mechanical faults in power transformers. In: Proceedings of the 21st International Symposium on High Voltage Engineering. 2020;598:811–824. https://doi.org/10.1007/978-3-030-31676-1_76Hussain M.R., Refaat S.S. Dielectric behaviour of defects in power transformer insulation using finite element method // 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy, 2019. https://doi.org/10.1109/SGRE46976.2019.9021069Hussain MR, Refaat SS. Dielectric behaviour of defects in power transformer insulation using finite element method. In: 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy. 2019. https://doi.org/10.1109/SGRE46976.2019.9021069Tenbohlen S., Coenen S., Djamali M., Müller A., Samimi M.H., Siegel M. Diagnostic measurements for power transformers // Energies. 2016. Vol. 9. Issue 5. Р. 347. https://doi.org/10.3390/en9050347Tenbohlen S, Coenen S, Djamali M, Müller A, Samimi MH, Siegel M. Diagnostic measurements for power transformers. Energies. 2016;9(5):347. https://doi.org/10.3390/en9050347Левин В.М., Яхья А.А. Система информационноаналитической поддержки принятия решений по эксплуатации силовых трансформаторов // Главный энергетик. 2019. № 9. С. 52–62.Levin VM, Iаkhia AA, System of information and analytical support for decision-making on operation of power transformers. Glavnyi energetik. 2019;9:52–62. (In Russ.)Шонин Ю.П. Оценка технологического состояния силовых масляных трансформаторов // Библиотечка электротехника. 2019. № 12. С. 3–90.Shonin YuP. Assessing technological condition of power oil transformers. Bibliotechka elektrotekhnika. 2019;12:3–90. (In Russ.)Путилин К.С., Майорова Ю.А., Пронина А.К. Диагностирование внутренних коротких замыканий силовых трансформаторов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2018. Т. 61. № 3. С. 53–59. https://doi.org/10.17213/0136-3360-2018-3-53-59Putilin KP, Mayorova YuA, Pronina AK. Diagnosis of internal short-circuits of power transformers. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Elektromekhanika = Russian Electromechanics. 2018;61(3):53–59. (In Russ.) https://doi.org/10.17213/0136-3360-2018-3-53-59Бурлак И.И., Пляшко М.С., Гура Д.Н., Корольков А.Л., Звада П.А. Вопрос актуализации параметров силовых трансформаторов // Главный энергетик. 2019. № 10. С. 26–32.Burlak II, Plyashko MS, Gura DN, Korolkov AL, Zvada PA. The question of updating the parameters of power transformers. Glavnyi energetik. 2019;10:26–32. (In Russ.)Пат. № 2237254, Российская Федерация, G01R31/02, H02H7/04. Способ диагностики силовых трансформаторов / А.Н. Алюнов, В.А. Бабарушкин, А.В. Булычев, В.А. Гуляев; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. Заявл. 08.01.2003; опубл. 27.09.2004. Бюл. № 27.Alyunov AN, Babarushkin VA, Bulychev AV, Gulyaev VA. Diagnostic method for power transformers. Patent RF, no. 2237254; 2003. (In Russ.)Пат. № 2458354, Российская Федерация, G01R 31/06. Способ определения группы и схемы соединения обмоток силовых двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов / И.Н. Смирнов, А.Н. Алюнов, В.А. Бабарушкин; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. Заявл. 13.12.2010; опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22. Заявл. 13.12.2010; опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22.Alyunov AN, Babarushkin VA, Smirnov IN. Method to determine the group and connection circuits of power double- and triple-wound transformer windings. Patent RF, no. 2458354; 2012. (In Russ.)Пат. № 2446406, Российская Федерация, G01R31/02. Способ диагностики силовых трехобмоточных трансформаторов / В.А. Бабарушкин, А.Н. Алюнов, В.А. Гуляев, И.Н. Смирнов; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. Заявл. 08.07.2009; опубл. 27.03.2012. Бюл. № 9.Alyunov AN, Babarushkin VA, Gulyaev VA, Smirnov IN. Diagnostic method for power three-winding transformers. Patent RF, no. 2446406; 2012. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.