Підвищення достовірності розпізнавання типу дефектів в обладнанні електричних систем за результатами аналізу розчинених в маслі газів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 – електрична інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Мета роботи – покращення експлуатаційної надійності високовольтного маслонаповненого обладнання електричних систем та мереж за рахунок підвищення достовірності розпізнавання типу дефектів за результатами аналізу розчинених у маслі газів. Об’єкт дослідження – процеси розвитку дефектів у маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж. Предмет досліджень – значення відношень газів, відсоткового вмісту газів і відношень газів до газу з максимальним вмістом у маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж з дефектами різного типу. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі виконано аналіз експлуатаційної надійності високовольтного маслонаповненого обладнання (в першу чергу силових трансформаторів) електричних систем та мереж. Проаналізовані основні причини та найбільш часті ушкодження високовольтних силових трансформаторів. Визначені основні дефекти, що виявляються у маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж за допомогою інтерпретації результатів аналізу розчинених у маслі газів. Проаналізовані методи та критерії, що використовуються для визначення типу дефектів високовольтного маслонаповненого обладнання за вмістом розчинених в маслі газів. Проаналізовані сучасні тенденції щодо удосконалення методів інтерпретації результатів аналізу розчинених у маслі газів. Проаналізовані основні проблеми, що виникають при оцінювання стану високовольтного маслонаповненого обладнання за результатами аналізу розчинених у маслі газів. У другому розділі проаналізовані значення діагностичних критерії у 3449 одиницях маслонаповненого обладнання електричних систем та мереж з дефектами різного типу, встановлено діапазони значень відношень характерних газів, відсоткового вмісту газів і відношень газів до газу з максимальним вмістом, побудовано 109 графічних областей (номограм дефектів), проведено порівняльний аналіз достовірності розпізнавання цих дефектів. За результатами виконаного порівняльного аналізу достовірності розпізнавання дефектів різного типу встановлено, що достовірність розпізнавання кожного з методів не є постійною, а варіюється залежно від типу дефекту, що не дає змоги розглядати той чи інший метод як універсальний для розпізнавання дефектів різного типу. У третьому розділі наведено опис розроблених нових методів розпізнавання типу дефектів у маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж за значеннями відношень газів, відсоткового вмісту газів та комплексом діагностичних критеріїв, проведено порівняльний аналіз достовірності розпізнавання типу дефектів з використанням розроблених методів та уже наявних стандартів і методів з інтерпретації результатів аналізу розчинених у маслі газів. У четвертому розділі описана програмна реалізація розроблених методів розпізнавання типу дефектів в маслонаповненому обладнанні електричних систем та мереж за значеннями відношень газів, відсоткового вмісту газів та комплексом діагностичних критеріїв у складі інформаційно-аналітичної системи «СИРЕНА». У висновках наведено основні результати роботи щодо вирішення поставлених задач дослідження. За результатами дослідження отримано наступні наукові результати: 1. Отримав подальший розвиток метод номограм, який відрізняється від наявного новими 95 графічними областями, характерними для дефектів різного типу та їх комбінацій, і дає змогу у 7 разів підвищити кількість дефектів, які розпізнаються з використанням методу номограм. 2. Вперше розроблено графічний метод розпізнавання типу дефекту по значенням трьох відношень газів, який, на відміну від наявних аналогів, дозволяє розпізнавати не тільки електричні розряди і термічні дефекти, а й їх комбінації з оцінкою енергії розрядів та температури гарячої точки, що дозволяє підвищити кількість правильних діагнозів, поставлених з використанням запропонованого методу, до 86,67 % тоді як наявні методи дозволяють поставити правильний діагноз у 83,6 %. 3. Вперше запропоновано метод для розпізнавання типу дефекту маслонаповненого обладнання електричних мереж за комплексом діагностичних критеріїв, який відрізняється від наявних тим, що розпізнавання типу дефекту проводиться на основі порівняльного аналізу співпадіння результатів аналізу розчинених у маслі газів із діагностованого обладнання з результатам аналізу розчинених у маслі газів обладнання з чітко встановленим діагнозом, що дозволяє розпізнавати 32 різні типи дефектів тоді як відомі стандарти та методи дозволяють розпізнати 4–13 типів дефектів. 4. Науково обґрунтовано діапазони значень відношень характерних газів, відсоткового вмісту газів і відношень газів до газу з максимальним вмістом для 32 типів дефектів та їх комбінацій. Практичне значення отриманих результатів для електроенергетичної галузі: 1. Запропоновано методику класифікації стану маслонаповненого обладнання електричних мереж в багатомірному діагностичному просторі, яка використовується в науковій діяльності кафедри передачі електричної енергії Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» при дослідженні процесів старіння ізоляції високовольтного маслонаповненого обладнання електричних систем та мереж. 2. Отримані діапазони значень відношень характерних газів, відсоткового вмісту газів і номограми дефектів використовуються як додаткові критерії для визначення типу дефектів за результатами аналізу розчинених у маслі газів у службі ізоляції та грозозахисту АТ «Харківобленерго». 3. Алгоритмічно розроблені та програмно реалізовані окремі модулі інформаційно-аналітичної системи «СИРЕНА», яка на даний час розробляється на кафедрі «Передача електричної енергії» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут», що реалізують розроблені методи розпізнавання типу дефектів маслонаповненого обладнання за результатами аналізу розчинених у маслі газів. Результати досліджень використовувались при виконанні наукових досліджень в рамках ініціативної науково-дослідної роботи «Удосконалення методів діагностики стану маслонаповненого високовольтного обладнання електричних мереж» (№ ДР 0121U109404, 2021–2022 рр.), де здобувач був відповідальним виконавцем, та застосовуються у держбюджетній науково- дослідній роботі за планом МОН України «Забезпечення стійкого, надійного та ефективного енергопостачання районів міст постраждалих внаслідок бойових дій» (№ ДР 0123U100244, 2023–2025 рр.), де здобувач є виконавцем окремих розділів. Результати дисертаційної роботи застосовуються при інтерпретації результатів аналізу розчинених у маслі газів високовольтного маслонаповненого обладнання у службі ізоляції та грозозахисту АТ «Харківобленерго» та у навчальному процесі на кафедрі передачі електричної енергії в освітніх компонентах «Техніка високих напруг» і «Математичні основи технічної діагностики» за освітньою програмою «Електроенергетика», освітньою-науковими програмами «Електроенергетика» та «Комп’ютерні інформаційні технології цифрової трансформації енергетики» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» (підтверджено актами впровадження). Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 “Electrical Engineering, Power Engineering and Electromechanics” (14 – Electrical engineering). – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2023. The aim of the study is to improve the operational reliability of high-voltage oilfilled equipment of electrical systems and networks by increasing the reliability of fault type recognition based on the results of dissolved gas analysis. The object of research is the processes of fault development in oil-filled equipment of electrical systems and networks. The subject of research are the values of the gas ratios, the percentage of gases and the gas-to-gas ratios with the maximum content in oil-filled equipment of electrical systems and networks with various types of faults. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines the research objectives, shows the connection of the work with scientific topics, provides information on scientific novelty, practical significance, approbation of results and publications. The first chapter analyses the operational reliability of high-voltage oil-filled equipment (primarily power transformers) of electrical systems and networks. The main causes and most frequent damages of high-voltage power transformers are analysed. The main faults detected in the oil-filled equipment of electrical systems and networks are identified by interpreting the results of the dissolved gas analysis. The methods and criteria used to determine the type of faults in high-voltage oil-filled equipment by the dissolved gas content are analysed. Modern trends in improving the methods of interpreting the results of the dissolved gas analysis are analysed. The main problems that arise when assessing the condition of high-voltage oil-filled equipment based on the results of the dissolved gas analysis are analysed. The second chapter analyses the values of diagnostic criteria in 3449 units of oilfilled equipment of electrical systems and networks with various types of faults, establishes the ranges of the ratios of characteristic gases, percentage of gases and gasto- gas ratios with maximum content, plots 109 graphical areas (nomograms of faults), and conducts a comparative analysis of the recognition accuracy of these faults. Based on the results of the comparative analysis of the recognition accuracy of different types of faults, it was found that the recognition accuracy of each method is not constant but varies depending on the type of fault, which does not provide an opportunity to consider a particular method as universal for the recognition of different types of faults. The third chapter describes the developed new methods for recognising the type of faults in oil-filled equipment of electrical systems and networks by the values of gas ratios, percentage of gases and a set of diagnostic criteria, and conducts a comparative analysis of the accuracy of recognising the type of faults using the developed methods and existing standards and methods for interpreting the results of dissolved gas analysis. Chapter 4 describes the software implementation of the developed methods for recognising the type of faults in oil-filled equipment of electrical systems and networks by the values of gas ratios, percentage of gases and a set of diagnostic criteria as part of the information and analytical system “SYRENA”. The conclusions present the main results of the research aimed at solving the research objectives. The following scientific results were obtained from the study: 1. The nomogram method was further developed, which differs from the existing one by new 95 graphic areas characteristic of various types of faults and their combinations, and allows to increase the number of faults that can be recognised using the nomogram method by 7 times. 2. For the first time, a graphical method for recognising the type of fault by the values of three gas ratios has been developed, which, unlike existing analogues, allows recognising not only electrical discharges and thermal faults, but also their combinations with an assessment of the discharge energy and hot spot temperature, which will increase the number of correct diagnoses made using the proposed method to 86.67 %, while existing methods allowed making the correct diagnosis in 83.6 %. 3. For the first time, a method for recognising the type of fault in oil-filled equipment of electrical networks by a set of diagnostic criteria is proposed, which differs from the existing ones in that the recognition of the fault type is based on a comparative analysis of the coincidence of the results of dissolved gases analysis from the diagnosed equipment with the results of dissolved gases analysis of equipment with a clearly established diagnosis, which allows recognising 32 different types of fault, while the known standards and methods allow recognising 4–13 types. 4. Scientifically substantiated ranges of characteristic gas ratios, percentage of gases and gas-to-gas ratios with maximum content for 32 types of faults and their combinations. Practical implications of the results for the electric power industry: 1. A methodology for classifying the state of oil-filled equipment of electrical networks in a multidimensional diagnostic space is proposed, which is used in the scientific activity of the Department of Electric Power Transmission of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" in the study of the aging processes of insulation of high-voltage oil-filled equipment of electrical systems and networks. 2. The obtained ranges of characteristic gas ratios, percentage of gases and nomograms of faults are used as additional criteria for determining the type of faults based on the results of dissolved gas analysis in oil in the insulation and lightning protection service of JSC Kharkivoblenergo. 3. Algorithmically designed and software implemented individual modules of the information and analytical system “SYRENA”, which is currently being developed at the Department of Electric Power Transmission of the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, implementing the developed methods of recognising the type of faults in oil-filled equipment based on the results of dissolved gas analysis. The results of the research were used in the implementation of scientific research as part of the initiative research work “Improving methods for diagnosing the condition of oil-filled high-voltage equipment of electrical networks” (State Registration No. 0121U109404, 2021–2022), where the applicant was one of the responsible executors, and are used in the state budget research work under the plan of the Ministry of Education and Science of Ukraine “Ensuring sustainable, reliable and efficient energy supply to the areas of cities affected by hostilities” (State Registration No. 0123U100244, 2023–2025), where the applicant is the executor of certain sections. The results of the dissertation are used in the interpretation of the results of the dissolved gas analysis of high-voltage oil-filled equipment in the insulation and lightning protection service of JSC Kharkivoblenergo and in the educational process at the Department of Electric Power Transmission in the educational components “High Voltage Equipment” and “Mathematical Basics of Technical Diagnostics” of the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”.