Анализ методов контроля технического состояния оборудования на применимость к высоковольтным электронным измерительным трансформаторам

Цель – подробный анализ статистических данных о причинах выхода из строя высоковольтного оборудования, в частности измерительных трансформаторов тока и напряжения; тщательное изучение факторов, влияющих на техническое и функциональное состояния измерительных трансформаторов; исследование существующих методов контроля технического функционирования высоковольтного оборудования на применимость к электронным измерительным трансформаторам; разработка основных принципов построения стационарной системы контроля технических возможностей электронных измерительных трансформаторов. При помощи глубокого анализа исследованы существующие научные публикации и объекты авторского права по обозначенной тематике, применен системный подход к проблеме, рассмотрены методы индукции и дедукции, метод классификации, метод абстрагирования. Результатом проведенного исследования стало детальное изучение существующих методов контроля технических способностей высоковольтного оборудования на применимость к электронным измерительным трансформаторам. Рассмотрено влияние различных режимных и внешних факторов на техническое и функциональное состояния измерительных трансформаторов. Представлены основные принципы построения стационарной системы контроля технического состояния электронных измерительных трансформаторов. На основе проведенного анализа установлено, что повреждаемость измерительных трансформаторов в сетях среднего напряжения составляет порядка 6% от всех аварий, а в сетях 110 кВ и выше – порядка 7. Сделан вывод, что аварии связаны с повреждением изоляции, с некачественными изготовлением и монтажом, с воздействием на оборудование на техническое и функциональное состояния измерительных трансформаторов режимных параметров и внешних факторов. С учетом рассмотренных методов контроля технического состояния высоковольтного оборудования авторами предложена функциональная схема стационарной системы контроля технических возможностей электронных измерительных трансформаторов на цифровой подстанции.

1. Wang Yu-duo, Dai Xiao-miao. A Ethernet interface solution based on TCP/IP protocol // IEEE 11th International Conference on Signal Processing. 2012. P. 1521–1525. https://doi.org/10.1109/ICoSP.2012.6491863.

2. Zhijian Qu, Mingguang Liu, Zhiling Jiang, Feng Wu, Jing Liu, Lichao Sun. Study of communication gateway based on IEC61850 Protocol // International Conference on Communication Software and Networks. 2009. P. 659–662. https://doi.org/10.1109/ICCSN.2009.17.

3. Adamiak M., Baigent D. IEC 61850 Communication networks and systems in substations: an overview for users // The Protection & Control Journal. 2009. P. 61–68.

4. Чичёв С.И., Калинин В.Ф., Глинкин Е.И. Методология проектирования цифровой подстанции в формате новых технологий. М.: Спектр. 2014. 228 с.

5. Чичёв С.И., Калинин В.Ф., Глинкин Е.И. Информационно-измерительная система электросетевой компании. М.: Спектр, 2011. 156 с.

6. Дорофеев И.Н., Серрато А.Э., Чаркин А.В. Реализация системы защиты и управления цифровой подстанции на базе программного комплекса iSAS // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: сб. презентаций участников IV Междунар. науч.-техн. конф. РНК Cigre (г. Екатеринбург, 3–7 июня 2013 г.). Екатеринбург: Российский национальный комитет СИГРЭ, 2013. С. 1–5.

7. Власов М., Иванов А., Кириллов А., Перегудов С., Сердцев А. АСУ с гибкой динамической архитектурой для цифровых подстанций // Электроэнергия. Передача и распределение. 2012. № 5. С. 92 –96.

8. Хренников А., Галиев И., Скрыдлов Е. Цифровые трансформаторы тока. Устройства для вычисления силы тока // Новости электротехники. 2015. № 6. [Электронный ресурс]. URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2015/96/06.php (09.01.2023).

9. Янин М.А., Канафеев Р.И., Иванов Н.А., Шеметов А.С., Козырев А.В. Текущие результаты опытной эксплуатации электронных ТТ И ТН 500 кВ // Энергоэксперт. 2020. № 1. С. 62–67.

10. Сержаский В.П., Басмановский М.А. Анализ современного состояния измерительных датчиков тока, их преимущества и недостатки // Modern Science. 2019. № 12-1. С. 613–617.

11. Грабчак Е.П., Байков И.А., Медведева Е.А., Дунаев П.А. Основные результаты функционирования объектов электроэнергетики в 2016 году. Итоги прохождения ОЗП 2016–2017 годов. Задачи на среднесрочную перспективу. 2017. [Электронный ресурс]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/6575 (09.01.2023).

12. Саенко Ю.Л., Попов А.С. Исследование причин повреждения трансформаторов напряжения контроля изоляции // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2011. № 7. С. 59–66.

13. Богомолов В.С., Зихерман М.Х., Львов Ю.Н., Назаров И.А., Тимашова Л.В., Шлейфман И.Л. [и др.]. Повреждаемость основного электрооборудования ПС напряжением 110-750 кВ в РФ // Энергия единой сети. 2013. № 2. С. 14–21.

14. Хренников А.Ю., Мажурин Р.В. Диагностика и мероприятия по снижению аварийности высоковольтных измерительных трансформаторов тока и напряжения в электрических сетях 110-750 кВ // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2013. № 1. С. 52–54.

15. Нечаев Е.В., Яблоков А.А., Лебедев В.Д. Разработка и исследование резистивного делителя напряжения 6-10 кВ // Наука и инновации в технических университетах: матер. IX Всерос. форума студ., асп. и молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 27–30 октября 2015 г.). Санкт-Петербург, 2015. С. 31–33.

16. Лылов П.В., Лебедев В.Д., Фомичев А.А. Разработка и исследование системы передачи оцифрованных значений токов и напряжений на подстанции // ЭНЕРГИЯ-2016: матер. XI Междунар. науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых (г. Иваново, 5–7 апреля 2016 г.). Иваново, 2016. Т. 3. С. 31–33.

17. Лебедев В.Д., Яблоков А.А., Филатова Г.А., Литвинов С.Н., Панащатенко А.В., Готовкина Е.Е. Исследование характеристик и перспективы использования цифровых трансформаторов тока и напряжения // Электроэнергия. Передача и распределение. 2018. № 2. С. 22–27.

18. Нечаев Е.В., Шелудько М.В., Яблоков А.А. Исследование характеристик и оптимизация параметров датчика тока цифрового измерительного трансформатора тока // ЭНЕРГИЯ-2017: матер. XII Междунар. науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых (г. Иваново, 4–6 апреля 2017 г.). Иваново, 2017. Т. 3. С. 31–33.

19. Загоскин Р.И., Гук А.А. Опыт эксплуатации систем мониторинга высоковольтного оборудования на объектах ПАО "ФСК ЕЭС" // Энергия единой сети. 2016. № 5. С. 48–54.

20. Бояршинов Б.С., Хожайнова Г.И. Процессы старения и разрушения электрической изоляции // Экономика и практический менеджмент в России и за рубежом: матер. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Коломна, 15 апреля 2014 г.). Коломна: Коломенский институт, филиал Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), 2014. С. 225–227.

21. Бояршинов Б.С., Хожайнова Г.И. Экспериментальная проверка теории старения диэлектрической изоляции Журкова-Дмитревского // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2010. Т. 316. № 2. С. 107–109.

22. Cesky L., Janicek F., Kubica J., Skudrik F. Overheating of primary and secondary coils of voltage instrument transformers // 18th International Scientific Conference on Electric Power Engineering. 2017. https://doi.org/10.1109/EPE.2017.7967359.

23. Ахмедова О.О., Грачева М.Н., Кирюхина Е.И. Современное развитие измерительных преобразователей тока для релейной защиты и автоматики в энергетике // Энергои ресурсосбережение: промышленность и транспорт. 2016. № 5. С. 47–51.

24. Славутский А.Л. Учет остаточной намагниченности в трансформаторе при моделировании переходных процессов // Вестник Чувашского университета. 2015. № 1. С. 122–130.

25. Евдокунин Г.А., Дмитриев М.В. Моделирование переходных процессов в электрической стали, содержащей трансформаторы при учете конфигурации их магнитной системы // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2009. № 2. С. 37–48.

26. Андреев Д.В., Столяров А.А., Андреев В.В., Царьков А.В. Исследование необратимых процессов деграда ции подзатворного диэлектрика структур металл-диэлектрик-полупроводник // Необратимые процессы в природе и технике: тр. X Всерос. конф. (г. Москва, 29–31 января 2019 г.). М.: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, 2019. С. 114–117.

27. Raetzke S., Koch M., Anglhuber M. Modern insulation condition assessment for instrument transformers // IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (Bali, 23–27 September 2012). Bali: IEEE, 2012. P. 52–55. https://doi.org/10.1109/CMD.2012.6416177.

28. Wu Yan, Hu Yi-Fan, He Ri, Jiao Chong-Qing. Measurement and analysis of electromagnetic disturbance at the secondary side of electronic voltage transformer due to switching operations via a 6 kv switchgear // IEEE 5th International Symposium on Electromagnetic Compatibility. 2017. https://doi.org/10.1109/EMC-B.2017.8260347.

29. Suttner C., Tenbohlen S., Ebbinghaus W. Impact of Rogowski sensors on the EMC performance of medium voltage power substations // IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. 2015. https://doi.org/10.1109/ISEMC.2015.7256159.

30. Найденов А.Д. Оптические трансформаторы тока // Вестник науки и образования. 2020. № 8-1. С. 19–23.

31. Морозов А.Н., Степанов А.А., Малахов С.В., Иванов В.В. Разработка и опытная эксплуатация полностью оптического трехфазного трансформатора напряжения 220 кВ с цифровым выходом // Электрические станции. 2020. № 2. С. 28–36. http://doi.org/10.34831/EP.2020.1063.2.005.

32. Топольский Д.В., Топольская И.Г. Система автоматизации цифровой подстанции // Наука ЮУрГУ: матер. 71-й науч. конф. (г. Челябинск, 10–12 апреля 2019 г.). Челябинск: ЮУрГУ, 2019. С. 259–265.

33. Моржин Ю.И., Попов С.Г., Румянцев А.А., Ильин М.Д. Опытный полигон ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» первая в России «Цифровая подстанция», использующая стандарт IEC 61850. Testing-field of "R&D FGC UES” – “Digital Substation” // Энергия единой сети. 2014. № 3. С. 16–25.

34. Курьянов В.Н., Кущ Л.Р., Горбунова Н.Р., Бондарев И.В., Цыпик В.В. Цифровые подстанции. Опыт реализации // Наука, образование и культура. 2018. № 3. С. 9–12.

35. Вершинин Ю.Н. Механизм электронного пробоя твердых диэлектриков (эволюция представлений) // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2003. № 2. С. 152–157.

36. Зарубин В.С., Савельева И.Ю., Станкевич И.В. Температурное состояние плоского слоя полимерного диэлектрика с зависящей от температуры теплопроводностью // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. 2018. № 4. С. 14–23. https://doi.org/10.18698/1812-3368-2018-4-14-23.

37. Гефле О.С., Черкашина Е.И. Диагностика предпробивного состояния полимерных диэлектриков по тепловым эффектам // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесур сов. 2005. Т. 308. № 1. С. 54–59.

38. Собчук Н.В., Слободянюк Е.В. Определение оптимальной величины испытательного напряжения для эффективного контроля изоляции // Научные труды Винницкого национального технического университета. 2016. № 2. С. 70–74.

39. Саушев А.В., Шерстнев Д.А., Широков Н.В. Анализ методов диагностики аппаратов высокого напряжения // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2017. Т. 9. № 5. С. 1073–1085.

40. Лисина Л.Ф. Методы испытания и диагностики изоляции высоковольтного оборудования // Вестник Ангарской государственной технической академии. 2014. № 8. С. 61–65.

41. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1992. 240 с.

42. Сви П.М. Контроль изоляции оборудования высокого напряжения. М.: Энергия, 1980. 112 с.

43. Балобанов Р.Н., Зацаринная Ю.Н. Особенности диагностирования высоковольтного оборудования с элегазовой изоляцией // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 2. № 18. С. 257–258.

44. Агафонов Г.Е., Бабкин И.В., Берлин Б.Е. Электрические аппараты высокого напряжения с элегазовой изоляцией: монография. СПб.: Энергоатомиздат, 2002. 728 с.

45. Khalyasmaa A., Stepanova A., Eroshenko S., Bolgov V., Duc Chung T. The application of partial discharge monitoring system for instrument transformers: special issues // 21st International Symposium on Electrical Apparatus & Technologies. 2020. https://doi.org/10.1109/SIELA49118.2020.9167108.

46. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979. 224 с.

47. Овсянников А.Г., Марюшко Е.А. Разработка рекомендаций по проведению оперативной диагностики частичных разрядов в комплектных элегазовых распределительных устройствах // Электроэнергетика глазами молодежи: тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. (г. Иваново, 9–13 ноября 2015 г.). Иваново, 2015. Т. 1. С. 536–539.

48. Гусенков А.В., Лебедев В.Д., Литвинов С.Н., Словесный С.А., Яблоков А.А. Экспериментальное определение частичных разрядов в макете цифрового измерительного трансформатора дифференциальным методом // Вестник ИГЭУ. 2019. Вып. 2. С. 32–42.

49. Bartnikas R. Partial discharges. Their mechanism, detection and measurement // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2002. Vol. 9. Iss. 5. P. 763–808. https://doi.org/10.1109/TDEI.2002.1038663.

50. Robalino Vanegas D.M., Mahajan S.M. Effects of thermal accelerated ageing on a medium voltage oil-immersed current transformer // Conference Record of the 2008 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (Vancouver, 9 – 12 June 2008). Vancouver: IEEE, 2008. P. 470–473. https://doi.org/10.1109/ELINSL.2008.4570375.

51. Gupta B.K., Densley J., Narang A. Diagnostic practices used for instrument transformers // Conference Record of the 2008 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (Vancouver, 9–12 June 2008). Vancouver: IEEE, 2008. P. 239–242. https://doi.org/10.1109/ELINSL.2008.4570319.

52. Ruijin Liao, Chao Tang, Lijun Yang, Huanchao Chen. Thermal aging studies on cellulose insulation paper of power transformer using AFM // IEEE 8th International Conference on Properties & Applications of Dielectric Materials (Bali, 26–30 June 2006). Bali: IEEE, 2006. P. 722–725. https://doi.org/10.1109/ICPADM.2006.284279.

53. Елтышев Д.К., Хорошев Н.И. Диагностика силового маслонаполненного трансформаторного оборудования тепловых электростанций // Теплоэнергетика. 2016. № 8. С. 32–40.

54. Korenciak D., Sebok M., Gutten M. Thermal measurement and its application for diagnostics of distribution oil transformers // Энергетика. Известия высших учебных и энергетических объединений СНГ. 2019. Т. 62. № 6. С. 583 – 594. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-6-583-594.

55. Dan-yi Chi, Fucun Huang, Dong-peng Sui, Li-na Geng, Dan Zhao. The analysis of overheat failure for 220 kV voltage transformer with live detection // The Journal of Engineering. 2019. Vol. 2019. Iss. 16. P. 2058 –2059. https://doi.org/https://doi.org/10.1049/joe.2018.8825.

56. Ciric R.M., Milkov M. Application of thermal imaging in assessment of equipment in power plants // Monitoring Expertise and Safety Engineering. 2014. Vol. 4. Iss. 2. P. 1–9.

57. Litvinov S., Lebedev V., Smirnov N., Tyutikov V., Shuvalov S. Thermal and aerodynamic tests of a digital combined current and voltage transformer // 22nd International Conference on Innovative Manufacturing Engineering and Energy IManE&E: MATEC Web Conference. 2018. Vol. 178. https://doi.org/10.1051/matecconf/201817809006.

58. Litvinov S., Lebedev V., Smirnov N., Tyutikov V., Makhsumov I. Physical simulation of heat exchange between 6(10) kV voltage instrument transformer and its environment with natural convection and insolation // Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment: MATEC Web Conference. Tomsk . 2018. Vol. 194. https://doi.org/10.1051/matecconf/201819401035.

59. Кужеков С.Л., Дегтярев А.А. О восстановлении периодической составляющей первичного тока трансформатора тока в переходном режиме // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2011. № 3. С. 29–31.

60. Сивков А.С., Щеглов Л.В., Ведерников Г.А., Петрова О.В. Дополнительные параметры трансформаторов тока для обеспечения надежной работы сети // Энергоэксперт. 2018. № 3. С. 44–47.

61. Кужеков С.Л., Дегтярев А.А., Дони Н.А., Шурупов А.А., Петров А.А., Костарев Л.Н. [и др.]. Анализ неселективных действий дифференциальных защит сборных шин при внешних однофазных коротких замыканиях с насыщением трансформатора тока в неповрежденной фазе // Релейная защита. 2019. № 1. С. 28 –36.

62. Воробьев В.С. О неправильной работе устройств РЗА в переходных режимах при насыщении трансформаторов тока // Заседание некоммерческого партнерства «Научно-технический совет единой энергетической системы» (г. Москва, 11 сентября 2015 г.). М., 2015. С. 12–43.

63. Дони Н.А. Возможность неселективного действия быстродействующих дистанционных защит при внешних повреждениях с большими токами КЗ // Релейщик. 2015. № 4. С. 30–33.

64. Рыбалкин А.Д., Шурупов А.А., Ермолкин И.А. Прогнозирование тока короткого замыкания при насыщении магнитопровода трансформатора тока // Цифровая электротехника: проблемы и достижения: сб. науч. ст. Чебоксары: СРЗАУ, 2012. Вып. I. 120 с.

65. Одинаев И.Н., Мурзин П.В., Паздерин А.В., Тащилин В.А., Шукало А. Анализ математических мет одов снижения погрешности трансформатора тока в режиме насыщения // Электротехнические системы и комплексы. 2020. № 2. С. 11–18. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2020-2(47)-11-18.

66. Дони Н.А., Иванов И.Ю., Иванова В.Р. Моделирование дифференциальной защиты линий электропередачи, работающей на базе векторных значений токов // Релейная защита и автоматизация. 2014. № 1. С. 14 –17.

67. Лямец Ю.Я., Романов Ю.В., Широкин М.Ю. Быстрое оценивание периодической составляющей тока короткого замыкания // Электричество. 2012. № 4. С. 9–13.

68. Яблоков А.А., Евдаков А.Е., Готовкина Е.Е. Экспериментальное исследование алгоритма мониторинга насыщения и остаточной намагниченности магнитопровода трансформатора тока // Состояние и перспективы развития электрои теплотехнологии (Бенардосовские чтения): матер. Междунар. (ХХ Всероссийской) науч.-техн. конф. (г. Иваново, 29–31 мая 2019 г.). Иваново: Ивановский государственный энергетический университет и м. В.И. Ленина, 2019. С. 307–309.

69. Пат. 2674580, Российская Федерация, G01R 33/12 (2006.01). Способ определения насыщения магнитопровода трансформатора тока / В.Д. Лебедев, А.Е. Евдаков, С.Н. Литвинов, А.В. Гусенков; заявитель и патентообладатель Ивановский государственный энергетический университет. Заявл. 27.12.2017; опубл. 11.12.2018. Бюл. № 35.