Техническое обслуживание по состоянию в системах электроснабжения: руководство!

Характерная черта современного общества – огромные объемы потребления энергии различных видов, которая расходуется как для производства разнообразных товаров, так и для решения различных задач в части улучшения комфорта текущей жизни во всем разнообразии этого термина. Одним из наиболее востребованных видов энергии является электричество.

Главные отличительные черты электричества как источника энергии - относительная простота генерации, распределения, обеспечения безопасности для человека и окружающей среды, а также возможность преобразования, в первую очередь, в тепло и механическую работу делают его массово востребованным во всех сферах производства, общественной жизни и в быту. Электростанция как объект, в котором происходит выработка электричества, в масштабах сети представляет собой фактически точку. Потребители же отличаются многочисленностью и разнообразием форм исполнения, в подавляющем большинстве случаев удалены от места генерации на значительное расстояние и одновременно с большей или меньшей степенью равномерности распределены по площади. В единое целое все эти объекты и компоненты объединяются системой электроснабжения, которая с учетом массовости потребителей и относительной немногочисленности электростанций строится в форме достаточно разветвленной и многоуровневой структуры.

Элементы системы передачи и распределения электроэнергии имеют разнообразное конструктивное исполнение, функционируют как единый комплекс и на всем протяжении эксплуатации работают в жестких условиях. Последнее означает наличие явно выраженных процессов ухудшения их исходных параметров во времени. В первую очередь это относится к средствам изоляции, деградация параметров которых неизбежно приводит к отказу.

Из-за высоких передаваемых мощностей отказы в большинстве случаев приводят к аварийным ситуациям с достаточно тяжелыми последствиями. Не допустить такого развития событий можно целенаправленной разработкой и практическим внедрением различных средств по целенаправленному поддержанию заданного уровня работоспособности системы электроснабжения и соответствия нормам ее параметров.

Стратегия поддержания работоспособности системы электроснабжения

Хорошо известный у врачей подход: «Профилактика – лучшее лечение» пользуется достаточно высокой популярностью также в технике. Наиболее известной по состоянию на сегодняшний день стратегией его практического применения является метод планово-предупредительных ремонтов. Согласно подходу, положенному в основу метода и зафиксированному на нормативном уровне в ГОСТ 18322-2016, работоспособность отдельных узлов и системы в целом поддерживается в исправном состоянии за счет планового обслуживания, ремонта и замены износившихся или отказавших узлов и компонентов.

Планово-предупредительный ремонт может выполняться с различной степенью глубины, что в схематической форме отражает Рис. 1. Обеспечивает ряд преимуществ, в частности, в ряде случаев при условии наличия в системе соответствующего резервирования позволяет выполнять необходимые работы без прекращения электроснабжения потребителей в целом.

Особенностью планово-предупредительных ремонтов становится то, что вне зависимости от объема соответствующие работы выполняются по заранее разработанному и утвержденному графику, а их периодичность определяется нормативными сроками эксплуатации конкретно взятого оборудования. Эффект от обращения в этой схеме дополнительно усиливается учетом общей продолжительностью эксплуатации системы: по мере исчерпания ее ресурса частота проверок и ремонтов и их уровень увеличивается.

Рис. 1. Классификация разновидностей планово-предупредительного ремонта по уровням

Аварийный ремонт относится к внеплановым и выполняется с целью восстановления нормальной работоспособности системы электроснабжения. Проверки качества его выполнения аналогичны различным видам планового ремонта и могут несколько отличаться только в части перечня производимых измерений.

Недостатки существующей схемы эксплуатационного обслуживания систем электроснабжения

Для метода планово-предупредительного ремонта в его исходной форме при всех его достоинствах характерно нерациональное использование имеющихся ресурсов. Для иллюстрации этого положения можно сослаться на статистику Леноблэнерго. Обслуживаемая ею сеть образована примерно 50 тысячами отдельных линий, из которых на протяжении года в среднем примерно 300 всегда выведены из эксплуатации для выполнения ремонтных работ по планово-предупредительной схеме.

Сократить количество линий, выведенных из текущей эксплуатации, рамках планово-предупредительной схемы не представляется возможным. Это определяется сочетании двух объективных факторов:

• • общая форма зависимости интенсивности отказов системы электроснабжения как сложного технического объекта хорошо известна (Рис. 2), но момент t2 – t3 наступления быстрого роста интенсивности отказов и потенциальных рисков аварии характеризуется очень большим разбросом (на рисунке это выделено интервалом σ = t3 – t2);
• • расходы на устранения последствий аварии значительно превышает стоимость выполнения планового ремонта, т.е. количество аварий целесообразно свести к минимуму.

Рис. 2. Типичная кривая зависимости от времени интенсивности отказов для сложной технической системы:

I – период приработки; II – период нормальной эксплуатации; III – период старения.

Последнее означает, что ремонт из-за необходимости обязательного недопущения аварии приходится выполнять с запасом по времени, что неизбежно влечет за собой нерациональное расходование ресурсов всех видов (финансовых, людских, временных и материальных). Попытка исправить ситуацию целенаправленной локализацией “болевых” точек распределенной сети (известно, например, что большинство неисправностей возникает в местах ввода кабельных линий на подстанции) не дает в результате радикального эффекта.

Единственно возможным путем устранения этого недостатка становится смена модели выполнения необходимых профилактических работ. Практически это осуществляется переходом к обслуживанию по (техническому) состоянию системы.

Преимущества технического обслуживания и ремонта по состоянию

С идеологической точки зрения ремонт по состоянию можно рассматривать как развитие планово-предупредительной схемы с переходом на качественно новый уровень. Положенный в его основу подход к поддержанию технического состояния системы сохраняет неизменным большинство известных базовых (элементарных) эксплуатационных процедур. Нововведения применяются преимущественно на организационном уровне процесса, а их суть состоит в выполнении ремонта не по показателю текущей наработки, а только тогда, когда это действительно необходимо.

Ремонт по техническому состоянию предусмотрен упомянутым ГОСТ 18322-2016 и полностью применим к сетям электроснабжения как к сложной технической системе.

Необходимое условие внедрения подхода, нормированного указанным стандартом, заключается в наличии постоянного автоматизированного мониторинга системы с глубиной, достаточной для получения объективной картины имеющегося технического состояния. При увеличении рисков отказа свыше определенного предела форсированно принимаются соответствующие меры. Чаще всего это означает немедленное выполнение ремонтных работ различных видов в объеме, который предусмотрен технической документацией. Положительный эффект выражается в гарантированном увеличении межремонтного интервала, что позволяет сэкономить ресурсы.

В графической форме появление выигрыша по времени иллюстрирует Рис. 3.

Рис. 3. Увеличение Δ времени межремонтного интервала за счет точного контроля технического состояния системы при равном уровне достоверности (через ε обозначена ошибка системы контроля)

Мониторинг состояния системы целесообразно реализовать таким образом, чтобы выявлять не только медленные изменения определенного параметра (например, сопротивления изоляции), но и фиксировать многофакторные сочетания. Это дает возможность увеличить точность предсказания момента отказа и эквивалентно уменьшению разброса ε проводимой оценки (Рис. 3). Последнее позволяет гарантированно сместить по оси времени момент начала ремонта по меньшей мере на Δ, что экономию ресурсов эксплуатирующей организации и привлекательно для нее с финансовой точки зрения. Соответствующие процессы должны происходить в автоматическом режиме, а роль оператора сводится к изменению порогов срабатывания и принятию решения по немногочисленным интегральным характеристикам.

Причины необходимости текущего контроля состояния изоляции в системах электроснабжения

Изоляция различного оборудования систем электроснабжения зачастую эксплуатируется в очень напряженном режиме и потенциально подвержена рискам разрушения. Не случайно ни одна компания не гарантирует нормальной работоспособности бытового оборудования на протяжении более 5 лет. Ситуация кратно ухудшается по мере перехода к распределительным сетям среднего и, тем более, высокого напряжения. Для доведения надежности до уровня, позволяющего осуществлять нормальную эксплуатацию сети, обязательно приходится применять комплекс соответствующих мер, необходимость выполнения которого требует привлечения дополнительных ресурсов различных видов.

Статистика отказов распределительных сетей среднего напряжения наглядно свидетельствует о том, что различные виды естественного ухудшения качества изоляции при существующем уровне техники становятся причиной примерно трети эксплуатационных отказов, Рис. 4. Вызванные ими аварийные отключения кабельных линий прямо влияют на финансовые показатели эксплуатирующей организации и должны быть сведены к минимуму.

Рис. 4. Статистика укрупненных групп эксплуатационных отказов за 2016 год кабельных линий среднего напряжения сети электроснабжения Орёлэнерго

Устранить финансовые потери в рамках существующей модели эксплуатации объективно не представляется возможным. Сказывается то, что причина деградации изоляции сильноточного электротехнического оборудования отличается очень большой дисперсией, которая без текущего контроля не позволяет надежно спрогнозировать момент отказа. Поэтому в известную схему планово-предупредительных ремонтов приходится закладывать существенные запасы по времени, что увеличивает общую продолжительность простоя линии и невыгодно с точки зрения экономики. Изменить ситуациях в лучшую сторону возможно изменением схемы выполнения эксплуатационного обслуживания, что фактически производится обращением к мониторингу текущего состояния изоляции.

Частичные разряды: физика процесса и использование для предсказания пробоя

К методу, привлекаемому для выполнения соответствующих контрольных процедуру, предъявляется ряд жестких и в значительной степени противоречивых требований. Метод должен по меньшей мере

• относится к группе неразрушающих;
• обеспечивать непрерывный мониторинг в сочетании с высокой достоверностью;
• работать в реальном масштабе времени;
• быть финансово привлекательным для массового использования.

Все эти свойства обеспечивает использование в качестве основного средства диагностики контроля интенсивности частичных разрядов (ЧР).

Под ЧР понимается маломощный искровой разряд, происходящий в структуре или на поверхности изоляции электрического средне- и высоковольтного оборудования. Может возникать

• в пустотах твердотельной и многослойной изоляции
• в пузырьках газа жидкой изоляции
• вокруг электродов в случае газовой изоляции (известен также как коронный разряд).

Причинами возникновения ЧР становятся внутренние и внешние дефекты в первую очередь изоляции и в меньшей степени токопроводящих элементов конструкции электротехнического оборудования. Основные внутренние дефекты представлены на Рис. 5, в внешние – на Рис. 6.

Рис. 5. Некоторые разновидности внутренних дефектов изоляции, способствующих возникновению ЧР. Слева направо: воздушные включения, твердотельные включения, древовидные структуры (трекинг), заостренные внутренние неровности электродов

Интенсивность рассматриваемого явления хорошо коррелируется во времени с моментом наступления пробоя (Рис. 7), что потенциально позволяет реализовать на основе фиксации этого явления соответствующую контрольную аппаратуру. При прочих равных условиях интенсивность ЧР нарастает с течением времени быстрее при значительных колебаниях температуры, больших перепадах напряжения, под воздействием вибрации и при повышенной влажности, а также при большом износе оборудования (низком индексе технического состояния).

Рис. 6. Основные разновидности внешних дефектов изоляции, способствующих возникновению ЧР. Слева направо: коронный разряд от заостренных проводящих кромок под высоким напряжением, разряд от заостренных кромок на землю, плавающая металлоконструкция около проводящих элементов конструкции, поверхностные разряды

Рис. 7. Типовая кривая изменения во времени интенсивности частичных разрядов)

Из-за относительно невысокой мощности ЧР не приводят к немедленному пробою, но способствуют ускорению деградации изоляции с переходом в конечной стадии в искровые и дуговые разряды.

Особенность частичных разрядов – их стохастический характер в сочетании со сравнительно небольшой (по сравнению с полноценными разрядами) амплитудой и достаточно малой длительностью. Это затрудняет обнаружение соответствующих им сигналов, требует обязательного предварительного усиления перед переводом в цифровую форму и обязательной “очистки” от различных мешающих воздействий.

Несколько упрощает ситуацию то, что ЧР потенциально могут контролироваться рядом методов при условии принятия специальных мер по подавлению помех и, возможно, дополнительной обработки для устранения шумов. Основными из методов контроля считаются электрический, электромагнитный и акустический.

В статистическим смысле амплитуда ЧР, несмотря на большую дисперсию самого явления, достаточно стабильна. С учетом того, что пробой изоляции с точки зрения системы электроснабжения как протяженного объекта носит точечный характер, эта особенность позволяет довольно точно локализовать место вероятного разрушения как прямым контролем, так и привлечением косвенных признаков.

Сильной стороной метода становится то, что контроль ЧР может осуществляться на протяжении всего срока службы системы электроснабжения. С учетом естественных рисков появления дефектов изоляции частота и глубина соответствующих проверок закономерно увеличиваются

• на ранних стадиях эксплуатации вновь построенной системы (выявление отказов приработки);
• после проведения ремонтов (средство контроля качества их выполнения);
• после перехода системы в стадию старения.

Особенности технического обслуживания трансформаторов по состоянию

В отличие от кабелей и воздушных линий трансформатор является точечным объектом, что заметно меняет номенклатуру технических средств инструментального контроля его параметров.

В процессе текущей эксплуатации системы электроснабжения для выполнения функций мониторинга привлекается ряд датчиков, номенклатура и используемый метод работы которых представлены в Таблице 2. Датчики как компонент контроля могут функционировать в автономном режиме или подключаться к SCADA-системе мониторинга и интеллектуального управления.

Таблица 2. Энергия, свидетельствующая о дефекте и способ ее обнаружения

Использование правильно подобранных датчиков и устройств позволит увидеть полную картину состояния трансформатора:

• контролировать величину фактического давления в баке;
• осуществлять прямое измерение температуры обмотки и остальных узлов трансформатора;
• фиксировать фактическую величину влажности в цепях осушения воздуха дыхательных каналов трансформатора с автоматическим запуском циклов регенерации при возникновении такой необходимости;
• производить анализ состава газов, растворенных в трансформаторном масле под рабочим напряжением;
• получать полную картину частичных разрядов в баке трансформатора с локализацией зоны дефекта.
• С учетом длительного срока эксплуатации экономические параметры системы мониторинга можно улучшить за счет варьирования состава датчиков системы. На состав их комплекса значимо влияет степень износа (индекса технического состояния) самого трансформатора.

Аппаратная часть системы мониторинга ЧР

С учетом слабости сигнала, создаваемого ЧР, а также их существенной статистической «размытости» эффективный сбор и обработка информации могут быть выполнены только программно-аппаратным комплексом. Одновременно требуется глубокая предварительная и основная обработка всего объема получаемых данных.

Аппаратура мониторинга ЧР, которая образует полноценную интеллектуальную систему, функционирует в автономном режиме, освобождает оператора от выполнения рутинных процедур обработки поступающей информации. Она позволяет

• идентифицировать возникновение дефекта на ранней стадии;
• надежно предотвратить появление аварийной ситуации;
• блокировать развитие дефектов с учетом их корреляционной связи с режимами работы системы электроснабжения в целом и отдельных ее элементов;
• принять обоснованное решение о продлении срока эксплуатации без выполнения планового текущего ремонта.

Оператор, в распоряжении которого имеется АРМ, выполняет скорее надзорные функции и получает необходимые для работы основные данные в текущем режиме или по запросу.

Рис. 8. Иерархическая схема построение аппаратной части типовой системы мониторинга частичных разрядов

В реалиях сегодняшнего дня систему строят по трехуровневой схеме, Рис. 8. Первый количественно наиболее многочисленный уровень образуют отдельные датчики. Обычно производящие компании предлагают широкую номенклатуру таких элементов, которые отличаются как используемым принципом работы, так и способом установки на контролируемый объект. Интегрирование датчиков в системе облегчается применением у них стандартизованных интерфейсов.

На втором уровне расположены блоки первичной обработки сигналов, которые осуществляют сбор сигналов от отдельных датчиков, их первичную обработку, выполняют фильтрацию и подавление помех, воздействующих на генерируемые датчиками слабые сигналы. Шкаф основного оборудования предназначен для обеспечения взаимодействия с блоками первичного преобразования с функциями настройки и самодиагностики, получения массива данных, их сведения к единому формату и промежуточного хранения с отправкой при необходимости на специализированные сервера.

С учетом области эксплуатации оборудование снабжается элементами защиты от высоких напряжений и бросков тока, возникающих при ударах молний и переключениях.

Применяемое программное обеспечение

В основу программного обеспечения системы мониторинга положена глубокая обработка информации, снимаемой с датчиков, в специализированной нейрональной сети. Качество обработки усиливается привлечением алгоритмов и принципов нечеткой логики. Обязательным компонентом ПО является база знаний, содержание которой может дополняться и корректироваться в процессе эксплуатации системы.

При наличии столь мощных технических средств ПО осуществляет комплексный анализ состояния контролируемой системы. Результатом становится учет не только динамики изменения контролируемого параметра, но и возможность выполнения ее многофакторного анализа для достижения более качественного результата.

Главным средством полноценного учета особенностей конкретной системы электроснабжения становится целенаправленное увеличение эксплуатационной гибкости специализированного ПО. Это достигается применением многоуровневой структуры и введением набора программных модулей, каждый из которых ориентирован на решение определенной задачи или их укрупненной группы.

• Пользователю через стандартизованный интерфейс предоставляется возможность настройки тех параметров, которые
• отвечают за критерии формирования аварийных сигналов;
• сигнализируют о недопустимо высоком темпе роста интенсивности возникновения ЧР;
• выполняют автоматическую рассылку аварийных уведомлений по стандартным протоколам и редактируемым спискам получателей.

Не менее важное значение имеет возможность индивидуального конфигурирования каждого измерительного канала.

Заключение

1. Техническое обслуживание по состоянию как прогрессивный способ текущей эксплуатации систем электроснабжения при полноценном внедрении позволяет добиться значимой экономии ресурсов различных видов (финансовых, людских материальных и т.д.).
2. Необходимое условие достижения возможности использования всех преимуществ технического обслуживания по состоянию – наличие развитой автоматизированной программно-аппаратной системы мониторинга текущего состояния изоляции линейной части и коммутационно-распределительного оборудования.
3. Наиболее информативное средство неразрушающего текущего контроля – мониторинг частичных разрядов, которые могут контролироваться датчиками различных видов.
4. Аппаратная часть даже сложной системы мониторинга допускает построение по удобной в эксплуатации трехуровневой распределенной схеме, а программное обеспечение позволяет производить глубокую обработку снимаемой с датчиков информации с комплексным привлечением многоуровневой нейронной сети, механизмов анализ трендов и процедур обработки сигналов в нечеткой логике.
5. Максимальная дружественность к пользователю системы мониторинга как необходимого элемента реализации технического обслуживания по состоянию обеспечивается построением аппаратной части и специализированного ПО по модульной схеме, обращением к стандартизованным интерфейсам и введением возможности индивидуальных настроек.

Рассчитаем стоимость системы мониторинга для вашего случая

Если вы хотите получить коммерческое предложение на систему мониторинга от Qualitrol Company LLC или High Voltage Partial Discharge, заполните эту форму: