ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ТЯГОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

АННОТАЦИЯ

Система мониторинга работы трансформаторов создается в целях повышения экономичности работы системы энергообеспечения на транспорте, так как непрерывно контролирует все ключевые параметры, диагностирует состояние, формирует заключение и прогноз. Не смотря на актуальность эффективной работы трансформатора, оценка фактического состояния трансформатора – это проблема. Одной из наиболее продвинутых систем диагностики является экспертная система диагностики, основанная на искусственном интеллекте. Интеллектуальная система способна заменить специалиста-эксперта в разрешении проблемной ситуации и принять правильное решение по ремонту, выполнив все требуемые функции системы диагностики. Самообучаемость – это основной признак такой экспертной системы диагностики. Постоянное пополнение знаний, добавление информации по отказам трансформаторов других участков позволяют центру системы в виде контроллера принимать взвешенное решение. Кроме диагностики нейронные сети могут определить тенденцию развития вида дефекта, прогнозировать повреждения на ранней стадии для конкретного трансформатора, определить остаточный ресурс устройства в целом.

Ключевые слова: силовой трансформатор, система мониторинга, диагностика, нейронные сети, тепловизор.

Надежность тяговых трансформаторов необходима и крайне важна, так как их надежная работа обеспечивает бесперебойную работу железнодорожной сети, ведь силовые трансформаторы являются основными конструктивными элементами в электроснабжении.  Именно поэтому особое внимание следует уделять мероприятиям, повышающим надежность силовых трансформаторов. Специалисты отмечают, что «различия в значении надежной работы тяговых трансформаторов на железной дороге и на каким-либо промышленном предприятии состоит в значительно большей нагрузке на эти трансформаторы именно в условиях эксплуатации железнодорожного транспорта, они работают в более тяжелых условиях»[3, С. 165-169].

Благодаря стандартам проводится упорядочивание процесса диагностики тяговых трансформаторов. Ведь ГОСТ 52719-2007 определил необходимость диагностики, обозначил основную и дополнительную диагностику трансформаторов как необходимые процессы. Но этим нормативным актом не определены точные критерии оценки надежности силовых трансформаторов тяговых подстанций электрических железных дорог, не описаны современные методы диагностики. Это объяснимо, так как за последние несколько лет в научных публикациях отражены различные методы оценки тяговых трансформаторов, на основании которых рекомендуется проводить дополнительную периодическую диагностику состояния. А ГОСТ 52719-2007 отражает текущую ситуацию, которая характерна для состояния оборудования начала века.

При этом, практика эксплуатации тяговых трансформаторов на железной дорого вносит свои коррективы в процессы эксплуатации оборудования, что вынуждает руководителей ОАО «РЖД» принимать дополнительные стандарты. Так был принят соответствующий стандарт и в настоящее время техническое обслуживание силовых трансформаторов, находящихся в эксплуатации, осуществляется в соответствии со СТО ОАО «РЖД» 12.003-2011 «требования к техническому обслуживанию и ремонту подстанций, трансформаторных подстанций и линейного оборудования, тягового электроснабжения». Стандартом определены виды, объемы, периодичность работ и диагностических исследований при техническом обслуживании силовых трансформаторов тяговых подстанций ОАО «РЖД». Сроки проведения таких осмотров и ремонтов устанавливаются независимо от фактического состояния оборудования.

В качестве наиболее распространенного метода диагностики силовых трансформаторов, находящихся на балансе ОАО «РЖД», выделим «газохроматографической диагностики». Он применяется достаточно шировко, однако, эксперты указывают на его недостатки, к которым относятся недостаточная скорость, значительная длительность процедуры отбора и сложность отбора проб. Такая трудоемкость диагностики сильно влияет на ее качество из-за большого количества трансформаторов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга и от хроматографической лаборатории.

Еще одним известным методом диагностики специалисты называют методы, основанные на определении местоположения и измерении уровня частичных разрядов. Это электрический метод, основанный на измерении сигналов электрических цепей, связанных с контролируемым объектом. Специалистами выделяют: электромагнитный метод,  оптический метод, акустический метод. Основной проблемой электрических и электромагнитных методов является значительная трудоемкость при наличии помех. Наличие помех обусловлено соседним оборудованием, установленным вблизи силовых трансформаторов, в которых также возможно наличие частичных разрядов. Кроме того, трансформаторы подключаются к линиям электропередач, передающим штормовые и другие высокочастотные импульсы. Часто они имеют большую амплитуду, регистрируются измерительными приборами и значительно усложняют диагностику.

В научных публикациях представлены различные методы диагностики силовых трансформаторов [2]. «Например, по результатам статистических наблюдений за температурой силовых трансформаторов, подстанций на Красноярской железной дороге делается вывод о возможности использования тепловизора в качестве диагностического инструмента» [2]. Изобретения, запатентованные и опубликованные для научной общественности, во многом отражают необходимость диагностики трансформаторов. Авторы изобретения[6] исследовали возможность определения постоянного времени нагрева сухого трансформатора на основе трех простых измерений и разработали собственную методику. По мнению авторов, она достаточно проста и «включает в себя замыкание низковольтных обмоток амперметром, установку значения тока низковольтных обмоток, приближение коррекции, с одновременным измерением этого значения, выполнение еще двух измерений тока низковольтных обмоток через равные промежутки времени и расчет постоянного времени нагрева по трем измеренным значениям» [6].

Метод динамической диагностики механических узлов [4, с.198-203] «предполагает использование входных преобразователей - вибрационных датчиков и вычислительного комплекса и с помощью датчиков снимается информация и подается на вычислительный комплекс где, после обработки в режиме реального времени, может быть представлена в распечатанном виде с указанием износа узла или детали в процентном отношении к нормальному состоянию или в графическом представлении на экране монитора для более детального изучения экспертом предметной области» [4, с.198-203].

Достоинством метода является то, что состояние узлов и деталей оценивается в режиме реальных условий эксплуатации.

Другим современным методом диагностики специалисты называют тензорный анализ. Система диагностики предполагает создание сенсорных сетей. «Применение тензорного метода упрощает задачу анализа системы: нет необходимости записывать всю систему уравнений за счёт записи параметров в матричном виде, что открывает богатые возможности использования ЭВМ и множество уравнений может быть представлено одним матричным уравнением с сохранением вида уравнения для любого числа степеней свободы» [5, с.263-269]. В результате применения указанных методов диагностики имеется возможность выявить несколько групп дефектов. Специалистами выделено их три:

• мгновенно развивающиеся дефекты, возникающие при нарастании ударного тока короткого замыкания и при перенапряжениях, которые практически предотвращаются средствами релейной защиты и автоматики;
• дефекты, развивающиеся тоже достаточно быстро, но их выявление – результат непрерывного контроля при помощи датчиков и сигнализирующих устройств, работающих в режиме реального времени;
• третью группу составили медленно развивающиеся дефекты. Чаще всего их диагностируют при периодическом диагностическом контроле.

Ползущий разряд, повреждения высоковольтных вводов, повреждения системы охлаждения – все эти повреждения можно отнести к быстроразвивающимся дефектам. А в качестве медленно-развивающихся дефектов специалисты диагностируют дефекты, связанные с деформацией обмоток трансформатора, с повышенным уровнем частичных разрядов, увлажнением и загрязнением трансформаторного масла и другие.

Можно говорить о том, что дефекты могут быть в широком диапазоне, причин для их развития множество и требуется постоянная система мониторинга. В ее функции включены:

• комплекс методов, а не один, так как необходима диагностика как можно большего числа дефектов;
• своевременная диагностика так как выявление дефекта на ранней стадии позволяет предотвратить значительные затраты на ремонт;
• оптимизация ремонтных работ силового трансформатора.

Одной из наиболее продвинутых систем диагностики является экспертная система диагностики, основанная на искусственном интеллекте. Такая система включает в себя: базу нормативных документов, глубокие специальные знания о показателях надёжности трансформатора, базу данных по наработкам отказа.

Интеллектуальная система способна заменить специалиста-эксперта в разрешении проблемной ситуации и принять правильное решение по ремонту, выполнив все требуемые функции системы диагностики. «Самообучаемость – это основной признак такой экспертной системы диагностики, а в центре всей системы находится контроллер искусственных нейронных сетей (ИНС)» [7, 8]. Постоянное пополнение знаний, добавление информации по отказам трансформаторов других участков позволяют центру системы в виде контроллера принимать взвешенное решение.

В контроллере используются нейронные сети, определяющие вид повреждения по совокупным показателям. Принятие решений основывается на предыдущем опыте, который заложен в базу данных. То есть, чем лучше сформирована база данных по предыдущим повреждениям и отказам, тем грамотнее и обоснованнее будет принято решение о неполадке в настоящем.

Специалистами предложена архитектура такой интеллектуальной системы на основе рекуррентной сети.  Это очень сложные сети с обратной связью, в основе которых лежит запоминание состояния сети на предыдущих шагах. Такое наличие обратных связей позволяет запоминать и воспроизводить целые последовательности реакций на один стимул. Кроме диагностики нейронные сети могут определить тенденцию развития вида дефекта, прогнозировать повреждения на ранней стадии для конкретного трансформатора, определить остаточный ресурс устройства в целом – все это выгодно отличает подобные инновации от других диагностических комплексов и можно предположить ,что именно за ними будущее.

Список литературы:

1. СТО РЖД 1.09.010-2008. Устройства электрификации и электроснабжения. Порядок продления назначенного срока службы. М.: ПКБ ЭЖД - филиал ОАО «РЖД». - 2008. - 28 с.; СТО РЖД 1.12.001-2007 «Устройства электрификации и электроснабжения. Техническое обслуживание и ремонт. Общие требования», 2007. - 20 с.
2. Анализ состояния силовых трансформаторов тяговых подстанций Красноярской железной дороги: / Орленко А.И.,Петров М.Н., Колмаков В.О., Колмаков О.В. // Научное издание под ред. проф. Петрова М.Н. – Красноярск: 2020 г. - 119 с.
3. Костюков, А.В. Анализ токов короткого замыкания силовых трансформаторов. Труды Ростовского государственного университета путей сообщения - Научно-технический журнал, №2, 2010, с.165-169
4. Метод динамической диагностики механических узлов. Колмаков О.В., Колмаков В.О.  Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. ИрГУПС. 2014. С. 198-203
5. Мониторинг состояния тяговых трансформаторов на основе тензорного анализа. Петров М.Н., Колмаков О.В., Колмаков В.О., Орленко А.И. В сборнике: Эксплуатация и обслуживание электронного и микропроцессорного оборудования тягового подвижного состава. 2020. С. 263-269
6. Способ определения постоянного времени нагрева сухого трансформатора. Плотников С.М., Колмаков В.О.Патент на изобретение RU2683031C1, 26.03.2019. Заявка№2018116287от28.04.2018
7. Тархов, Д. А. Нейронные сети. Модели и алгоритмы. Кн.18. Справочное издание: - М.:Радиотехника, 2005. - 256с.
8. Хайкин, С. Нейронные сети: полный курс, 2-е издание. Пер. сангл. - М. : Издательский дом «Вильямс», 2006. - 1104 с.