Разработка методики автоматизированной системы диагностики технического состояния силовых трансформаторов

1.

Магистерская диссертация на тему
Разработка методики автоматизированной системы диагностики технического
состояния силовых трансформаторов
Выполнил: Зафаров М.И.
Группа: ЭПм-1-23
Руководитель: Низамиев М.Ф., доцент, к.т.н.

2.

Цель и задачи
Целью работы является повышение надежности эксплуатации силовых
трансформаторов за счет автоматизированной диагностики.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Сбор и анализ параметров работы трансформатора
2. Прогнозирование остаточного ресурса
3. Формирование рекомендаций по обслуживанию
4. Адаптивность и масштабируемость системы
5. Интеграция с АСУ ТП/SCADA
2

3.

Научная новизна и практическая значимость
Научная новизна разработана методика автоматизированной
диагностики технического состояния силовых трансформаторов с
применением методов машинного обучения и статистического анализа.
Интеграция различных диагностических подходов (температурный,
вибрационный, электрический контроль) в единую адаптивную
систему. Разработаны структурные схемы для сухих и масляных
трансформаторов, реализованные в среде CoDeSys.
Практическая значимость заключается в обеспечение непрерывного
мониторинга и раннего выявления дефектов, прогнозирование
остаточного ресурса оборудования, снижение эксплуатационных затрат
и увеличение срока службы трансформаторов, интеграция в АСУ
ТП/SCADA, масштабируемость до 100 трансформаторов.
3

4.

Физико-химические методы диагностики трансформаторного масла
Рисунок 1 – метод титрования реактивом К.Фишера.
Рисунок 2 – Пример спектра образцов
трансформаторного масла экспериментальные
(толстые линии) и рассчитанные (пунктирные
линии) спектры образцов в диапазоне 10250–11750
см-1.
Рисунок 3 – Схема оптического эмиссионного
спектрометра с вращающимся дисковым
электродом для анализа масла.
Рисунок 4 – образцы нового и старого трансформаторного масла.
4

5.

Электрические методы диагностики трансформатора
Рисунок 1 – Измерение сопротивления изоляции трансформатора.
Рисунок 3 – Схема измерения силы тока и потерь при испытании ХХ
трансформатора.
Рисунок 2 – Последовательность измерения и оборудование для сбора данных по
измерениям ЧР в силовом трансформаторе реакторе.
5

6.

Тепловизионные методы и вибродиагностика трансформатора
Рисунок 1 – Тепловизионный снимок трансформатора
Рисунок 2 – Таблица СКЗ виброперемещения на баке реактора
трансформатора
6

7.

Методы машинного обучения
Рисунок 1 – Полный программный код на языке
программирования Structured Text в среде CoDeSys
Рисунок 2 – Дерево решений для диагностики
состояния работы трансформатора
7

8.

Разработка структурной схемы
К основным компонентам структурной схемы относятся:
Датчики и измерительные устройства, преобразователи сигналов, блок обработки
данных, система управления, исполнительные механизмы
Рисунок 1 – Типовая функциональная схема системы мониторинга и диагностики силовых
трансформаторов
8

9.

Разработка структурной схемы
Рисунок 1 – Структурная схема автоматизированной
системы диагностики технического состояния
силовой сухого трансформатора
Рисунок 2 – Структурная схема автоматизированной
системы диагностики технического состояния
силовой масляного трансформатора
9

10.

Экспериментальные данные
На основе предоставленной структурной схемы системы диагностики силового масляного трансформатора 35/6 кВ
подготовлены экспериментальные данные. Данные отражают работу системы в течение 30 суток с интервалом
измерения 1 день. Параметры, измеряемые для определения состояния трансформатора:
1) Датчики газов в масле (ppm):
- H₂ (водород);
- CH₄ (метан);
- C₂H₂ (ацетилен);
- C₂H₄ (этилен);
- CO (угарный газ);
- CO₂ (углекислый газ);
- Содержание влаги в масле.
2) Механические параметры:
- Вибрация сердечника (мм/с);
- Вибрация бака (мм/с).
3) Электрические параметры:
- Частичные разряды (пКл);
- Токи фаз (A);
- Напряжения (кВ).
4) Тепловые параметры:
- Температура обмоток (°C);
- Температура масла (°C).
5) Параметры изоляции:
- Тангенс δ (%);
- Сопротивление изоляции (МОм).
Анализ полученных экспериментальных данных.
Ключевые изменения параметров:
1) Газы в масле:
- H₂: 45 → 400 ppm (+789%).
- C₂H₂: 0.1 → 10.5 ppm (+10400%).
- CO: 110 → 470 ppm (+327%).
2) Вибрации:
- Сердечник: 0.12 → 0.80 мм/с (+567%).
- Бак: 0.08 → 0.64 мм/с (+700%).
3) Электрические параметры:
- Разряды: 25 → 280 пКл (+1020%).
- Ток нагрузки: +60%.
- Напряжение: -8%.
4) Тепловые параметры:
- Обмотки: 65 → 114°C (+75%).
- Масло: 52 → 101°C (+94%).
- Изоляция:
- tgδ: 0.42 → 1.38% (+229%).
- Сопротивление: 850 → 420 МОм (-51%).
Критические точки:
- День 10: H₂> 100 ppm (начало термического разложения).
- День 15: C₂H₂> 1 ppm (появление дуговых разрядов).
- День 20: Вибрации> 0.3 мм/с (механические дефекты).
- День 25: tgδ> 1.0% (критическая деградация изоляции).
10

11.

Экспериментальные данные
День
H₂ (ppm)
CH₄ (ppm)
C₂H₂ (ppm)
C₂H₄ (ppm)
CO (ppm)
CO₂ (ppm)
Влаж. (%)
Вибр.
(мм/с)
Вибр. бака
(мм/с)
Разр. (пКл)
IA (A)
IB (A)
IC (A)
U, ВВ (кВ)
U НН, (кВ)
Темп. обм (°C)
Темп. масла
(°C)
tgδ (%)
Rизол (МОм)
1
45
22
0.10
12
110
1200
15.0
0.12
0.08
25
82
80
83
35.2
6.05
65
52
0.42
850
2
47
23
0.11
13
112
1210
15.2
0.13
0.09
26
83
81
82
35.1
6.04
66
53
0.43
845
3
49
25
0.12
14
115
1220
15.5
0.13
0.09
27
84
82
83
35.0
6.03
67
54
0.44
840
4
51
27
0.13
15
118
1230
15.8
0.14
0.10
28
85
83
84
34.9
6.02
68
55
0.45
835
5
53
29
0.14
16
121
1240
16.1
0.15
0.10
30
86
84
85
34.8
6.01
69
56
0.46
830
6
56
31
0.15
17
124
1250
16.4
0.16
0.11
32
87
85
86
34.7
6.00
70
57
0.47
825
7
58
33
0.16
18
127
1260
16.7
0.17
0.11
34
88
86
87
34.6
5.99
71
58
0.48
820
8
61
35
0.17
19
130
1270
17.0
0.18
0.12
36
89
87
88
34.5
5.98
72
59
0.49
815
9
64
37
0.18
20
133
1280
17.3
0.19
0.13
38
90
88
89
34.4
5.97
73
60
0.50
810
10
68
40
0.20
21
136
1290
17.6
0.20
0.14
40
91
89
90
34.3
5.96
74
61
0.51
805
11
75
45
0.25
23
142
1320
18.2
0.21
0.15
45
93
91
92
34.2
5.95
76
63
0.54
790
12
85
50
0.30
25
150
1350
18.8
0.22
0.16
50
95
93
94
34.1
5.94
78
65
0.57
775
13
95
57
0.40
28
160
1390
19.5
0.23
0.17
55
97
95
96
34.0
5.93
80
67
0.60
760
14
110
65
0.60
32
172
1440
20.3
0.24
0.18
60
99
97
98
33.9
5.92
82
69
0.64
740
15
125
74
0.90
37
185
1500
21.2
0.25
0.19
65
101
99
100
33.8
5.91
84
71
0.68
720
Таблица 1 – Экспериментальные данные основных показателей силового масляного
трансформатора за 30 дней
11

12.

Экспериментальные данные
16
140
84
1.30
42
200
1570
22.2
0.26
0.20
70
103
101
102
33.7
5.90
86
73
0.72
700
17
155
95
1.80
48
216
1650
23.3
0.27
0.21
75
105
103
104
33.6
5.89
88
75
0.76
680
18
170
105
2.30
54
233
1740
24.5
0.28
0.22
80
107
105
106
33.5
5.88
90
77
0.80
660
19
185
115
2.90
60
251
1840
25.8
0.29
0.23
85
109
107
108
33.4
5.87
92
79
0.84
640
20
200
125
3.50
66
270
1950
27.2
0.30
0.24
90
111
109
110
33.3
5.86
94
81
0.88
620
21
220
135
4.20
70
290
2050
28.5
0.35
0.28
100
113
111
112
33.2
5.85
96
83
0.93
600
22
240
145
4.90
74
310
2150
29.8
0.40
0.32
120
115
113
114
33.1
5.84
98
85
0.98
580
23
260
155
5.60
78
330
2250
31.1
0.45
0.36
140
117
115
116
33.0
5.83
100
87
1.03
560
24
280
165
6.30
82
350
2350
32.4
0.50
0.40
160
119
117
118
32.9
5.82
102
89
1.08
540
25
300
175
7.00
86
370
2450
33.7
0.55
0.44
180
121
119
120
32.8
5.81
104
91
1.13
520
26
320
185
7.70
90
390
2550
35.0
0.60
0.48
200
123
121
122
32.7
5.80
106
93
1.18
500
27
340
195
8.40
94
410
2650
36.3
0.65
0.52
220
125
123
124
32.6
5.79
108
95
1.23
480
28
360
205
9.10
98
430
2750
37.6
0.70
0.56
240
127
125
126
32.5
5.78
110
97
1.28
460
29
380
215
9.80
102
450
2850
38.9
0.75
0.60
260
129
127
128
32.4
5.77
112
99
1.33
440
30
400
225
10.50
106
470
2950
40.2
0.80
0.64
280
131
129
130
32.3
5.76
114
101
1.38
420
Таблица 2 – Экспериментальные данные основных показателей силового масляного
трансформатора за 30 дней
12

13.

Расчет капитальных затрат
Наименование оборудования
количество
единица
M0 - главный модуль системы мониторинга
1
529 900
M3 - модуль контроля состояния 6 вводов
1
277 000
трансформатора
M4 - модуль регистрации и анализа частичных
разрядов во вводах и в изоляции обмоток
1
212 000
трансформатора
Устройство контроля влажности SHm-1
1
8 000
Датчик температуры
2
4 200
Датчик тока
2
7 200
Высокочастотный трансформатор тока RFCT-4
6
32 500
Датчик для регистрации токов проводимости
3
9 500
изоляции и частичных разрядов DB-2/КИВ
КУБ-МИКРО/60
4
13 590
8СК485
4
4 500
Телепорт-12/4
4
16 500
Маршрутизатор Huawei AR1220C
2
38 160
Блок питания БП60К-24
5
9 900
Блок питания БП30А-24
6
5 580
Ippon Innova RT 3000
2
99 060
Шкаф напольный сетевой 19" 24U
2
39 440
ПК ASUS S500MC-310105018
2
100 000
27" Монитор Samsung F27T350FHI, 1920x1080
2
16 500
Блок розеток в стойку 19 1U 8 розеток 250В
2
2 563
фильтр Ps-Link SA-P702U на 4 розетки 16А
2
3 300
ПО Windows
2
3 600
Клиент-серверная исполнительная система
1
320 000
Enterprise
Итого стоимость оборудования: 2 419 786 руб.
Транспортные затраты (5%): 120 990 руб.
Капитальные затраты на оборудование: 2 540 776
руб. 1 – спецификация на оборудование
Таблица
Стоимость, руб.
всего
529 900
277 000
212 000
8 000
8 400
14 400
195 000
28 500
54 360
18 000
66 000
76 320
49 500
33 480
198 120
78 880
200 000
33 000
5 126
6 600
7 200
320 000
13

14.

Анализ результатов и оценка эффективности
Согласно годовому отчету компании ПАО «Россети» за 2022–2024 года (раздел
"Цифровая трансформация") автоматизированная система диагностики состояния
трансформаторов позволяет снизить аварийность распределительного оборудования почти
на 50% в результате чего снижаются потери от недоотпуска энергии, увеличивается срок
службы распределительного оборудования за счет своевременного выявления проблем, а
также увеличивается срок средней частоты аварий оборудования.
Стоимость ремонтных работ без автоматизированной системы: