ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Боцула Мирослав Павлович

УДК 621.319.4.001.57

МЕТОДИ ТА ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ ДЛЯ ТЕХНІЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ СИЛОВИХ КОСИНУСНИХ КОНДЕНСАТОРІВ

Спеціальність: 05.11.16 - Інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Грабко Володимир Віталійович, Вінницький державний технічний університет, доцент кафедри електромеханічних систем автоматизації

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Сопрунюк Петро Маркіянович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, завідувач відділу електричних вимірювань фізичних величин

кандидат технічних наук, доцент Кучерук Володимир Юрійович, Вінницький державний технічний університет, доцент кафедри метрології та промислової автоматики

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра “Метрологія, стандартизація і сертифікація”, Міністерства освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться " 22 " лютого 2002 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.02 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий " 16 " січня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Павлов С.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Враховуючи складну економічну ситуацію в Україні і в енергетичній галузі стає актуальним і доцільним оптимальне використання робочого ресурсу силового електрообладнання. Це дозволяє досягти раціональних витрат на ремонти та оновлення парку електрообладнання. Одними з основних видів силового електрообладнання є засоби компенсації реактивної потужності, до яких відносяться й силові косинусні конденсатори (СК).

Строк служби СК згідно нормативно-технічної документації встановлений в межах 10 – 20 років. Якісно виконані конденсатори можуть мати і більший робочий ресурс. В масових кількостях СК почали випускатись з 60-х років. Тому в теперішній час можливий масовий їх вихід з ладу. Ремонт СК є складною трудомісткою операцією з утриманням підвищених вимог до забезпечення герметичності конденсаторного бака і високого ступеню просушення ізоляції. Тому СК експлуатуються до тих пір, поки не виникне потреба в їх заміні.

В сучасних економічних умовах неможливе повне зняття з експлуатації і заміна конденсаторів, які відпрацювали свій нормативний строк служби. Подальша їх експлуатація часто призводить до непередбаченого виходу з ладу. Тому досвідчений експлуатаційний персонал з метою запобігання аварійних ситуацій намагається виводити СК з експлуатації при появі ознак наявності дефектів. При виведенні СК з експлуатації погіршуються режими роботи електричних мереж.

Існуючі методи та інформаційно-вимірювальні системи (ІВС) для діагностики стану СК базуються на методах, що сформульовані 30 - 40 років тому. Ці методи малоефективні і не дозволяють визначити момент вичерпання робочого ресурсу конденсаторів. Розробка ІВС технічної діагностики, що орієнтовані на визначення залишкового ресурсу, створює можливість переходу до більш економічної і ефективної стратегії технічного обслуговування електрообладнання за його станом. Такі ІВС дозволили б вирішити проблему безпеки експлуатації СК і забезпечити ефективність заходів з компенсації реактивної потужності на промислових підприємствах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, що проводились протягом 1997-2001 років. Науково-дослідна робота проводилась відповідно до наукового напрямку кафедри “Розробка математичних методів та моделей процесів, що протікають в енергетичних, електромеханічних та екологічних системах, синтез інформаційно-вимірювальних систем автоматичного і автоматизованого керування цими процесами” та, у ролі виконавця, за держбюджетною темою №84-Д-196 “Розробка системи оптимізації робочих режимів та діагностування територіально відокремлених потужних електроприводів в умовах їх взаємовпливу через живлячу мережу” (номер державної реєстрації 0198U004497), та держбюджетною темою №2901 "Розробка математичних моделей та інформаційно-вимірювальних систем для підвищення якості та надійності електропостачання" (номер державної реєстрації 0101U007204).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є визначення залишкового ресурсу СК за допомогою ІВС для попередження їх непередбаченого виходу з ладу і запобігання аварійної ситуації на енергетичних та промислових підприємствах.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі задачі:

1. Провести огляд існуючих методів і засобів для діагностування та ідентифікації старіння ізоляції СК, в тому числі і існуючих ІВС для діагностування СК. Визначити причини виходу з ладу конденсаторів. Впорядкувати класифікацію існуючих методів і засобів діагностування та ідентифікації старіння ізоляції СК з точки зору технічної діагностики.

2. Розробити математичні моделі процесів старіння конденсаторів за тепловим старінням ізоляції з врахуванням її додаткового перегріву під впливом несинусоїдальної напруги, а також за електричним старінням ізоляції з урахуванням іонізаційних процесів під дією підвищеної напруженості електричного поля.

3. За математичними моделями розробити структурні схеми ІВС для діагностики косинусних конденсаторів, що далі реалізуються на базі промислових компонентів, що серійно виробляються.

4. Проаналізувати величини, що впливають на результати вимірювань параметрів режиму роботи конденсатора, та їх функції впливу, визначити домінуючі складові похибок, знайти закони розподілу загальних похибок вимірювань параметрів режиму роботи конденсатора. Запропонувати метод розрахунку вірогідності контролю стану конденсатора.

5. Розробити і реалізувати інтегровану ІВС для діагностування СК, яка дозволяє визначати залишковий робочий ресурс . Використати алгоритм швидкого перетворення Фур'є для оцінки несинусоїдальності напруги промислової мережі 6,3ё10 кВ.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є процес вимірювання залишкового робочого ресурсу СК з паперово-масляною ізоляцією, що використовується в електромережах 6ё10 кВ енергетичних та промислових підприємств для компенсації реактивної потужності, який можна вважати невідновлювальним об'єктом, тому що ремонт є економічно недоцільним і конденсатор, як правило, експлуатується до повного виходу з ладу.

Предметом дослідження є величина залишкового робочого ресурсу СК у поточний момент часу в режимі їх експлуатації.

Методи дослідження. Для вирішення і аналізу поставлених задач використані методи теорії кінцевих автоматів, технічної діагностики, теорії інформації, алгебри логіки, теорії ймовірностей, а також чисельні методи розв'язання задач.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблені математичні моделі стану силових конденсаторів за тепловим та електричним старінням ізоляції з урахуванням впливу несинусоїдальної напруги живлення конденсаторів. Моделі дозволяють визначати залишковий робочий ресурс конденсаторів, тим самим створюють основу для попередження виходу з ладу цього обладнання. Встановлено, що запропоновані моделі адекватно відтворюють фізичні процеси, що протікають в ізоляції конденсаторів, в межах нормуємих умов експлуатації.

2. Отримано подальший розвиток методу побудови структурних схем ІВС для діагностики силових конденсаторів, який полягає в тому, що за мінімізованим секвенційним описом функціонування системи отримується формалізований алгоритм роботи ІВС. Це дозволило автоматизувати проектування структури та алгоритму роботи ІВС для діагностики силових конденсаторів.

3. Вперше розроблена математична модель метрологічних характеристик вимірювальних каналів ІВС для діагностики силових конденсаторів. Модель дозволяє аналізувати статичні характеристики і визначати параметри законів розподілу загальних похибок вимірювальних каналів за допомогою кусково-лінійної та кусково-нелінійної апроксимації проміжних згорток цих розподілів і провести аналіз похибок вимірювальних каналів. Виділені основні складові похибок вимірювальних каналів і показано, що вони мають випадковий характер. За моделлю знайдені композиції законів розподілу для даних випадкових похибок, що дозволяє провести оцінку результатів вимірювань ІВС.

4. Вперше розроблений метод оцінювання достовірності роботи ІВС для діагностики конденсаторів за середнім ризиком. Метод дозволяє визначити граничне значення строку служби силових конденсаторів ітераційними математичними методами. Показано, що визначення граничного значення можливе при використанні закону розподілу Вейбула для вибірки статистичних даних строку служби конденсаторів.

Практичне значення одержаних результатів. Використання одержаних результатів дозволило розробити і впровадити експериментальний зразок ІВС для діагностування СК, яка дозволяє визначати залишковий робочий ресурс СК з точністю, що достатня для експлуатаційного контролю. Це дозволяє передбачити момент виходу з ладу конденсатора, чим забезпечується надійність роботи СК і безпека праці обслуговуючого персоналу, що сприяє використанню силових конденсаторів на виробництві. В роботі запропоновані методики проектування ІВС з врахуванням типу СК, розроблені методики оцінки похибок вимірювань і точності при прийнятті діагнозу про стан обладнання.

Результати, які отримані у дисертаційній роботі, впроваджено на підприємствах ВАТ АК "Вінницяобленерго" та ВАТ "Вінницький деревообробний завод" (м. Вінниця) для діагностики силових косинусних конденсаторів.

Підтвердженням впровадження результатів дисертаційної роботи є наявність відповідних актів.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Визначені похибки вимірювальних каналів ІВС для діагностування силових конденсаторів [6]. У роботах, опублікованих у співавторстві, автором запропоновано підхід для визначення тангенсу кута діелектричних втрат СК у робочому режимі [1], здійснений синтез структури ІВС для діагностики стану СК [2], розроблена математична модель старіння ізоляції СК [4], запропоновані структурні схеми ІВС на базі промислових компонентів за синтезованими структурами [5,8,9], запропоновано підхід визначення залишкового робочого ресурсу і контролю стану СК [7,10], розроблена мікропроцесорна структура ІВС для діагностики СК та алгоритм її роботи, вибрані сенсори для її реалізації [3,11].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідались та обговорювались на IV Міжнародній науково-технічній конференції “Оброблення сигналів зображень та розпізнавання образів” (Київ, 1998 р.), IV Міжнародній науково-технічній конференції “Unconventional Electromechanical and Electrical Systems” (Санкт-Петербург, 1999 р.), VI Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (Харків, 1999 р.), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці” (Львів, 1999 р.), XVI Міжнародній міжвузівській школі семінарі “Методи і засоби технічної діагностики” (Івано-Франківськ, 1999 р.), V Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в складних системах” (Вінниця, 1999 р.), IV Міжнародній науково-технічній конференції “Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств” (Маріуполь, 2000 р.), ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції по математичному моделюванню “МКММ-2000” (Херсон, 2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы создания новых машин и технологий” (Кременчук, 2000 р.), щорічних семінарах Інституту кібернетики ім. В.М.Глушкова на базі ВДТУ “Технічна діагностика, ідентифікація і автоматичне управління в електроенергетичних системах” Вінницької секції наукової ради НАН України по проблемі “Кібернетика” .

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 11 друкованих працях, у тому числі 5 статей у наукових фахових журналах, що входять до переліку ВАК України, 5 статей та тез доповідей у збірках праць науково-технічних конференцій, отримано 1 патент України на винахід.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел та 12 додатків. Загальний обсяг дисертації 228 сторінок, з яких основний зміст викладений на 136 сторінках друкованого тексту, містить 46 рисунків. Список використаних джерел складається з 154 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми досліджень, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Вказано мету та задачі досліджень. Приведено характеристику наукової новизни та практичного значення одержаних результатів, а також описано їх апробацію, публікації та впровадження.

У першому розділі проведено огляд та аналіз основних факторів та показників старіння ізоляції СК, а також аналіз відомих методів та засобів діагностування стану СК. З точки зору технічної діагностики впорядкована класифікація відомих методів ідентифікації старіння ізоляції СК та методів і засобів їх діагностування, що стало основою для побудови математичних моделей старіння СК.

Розглянуті відомі методи ідентифікації старіння ізоляції дозволили визначити, що погіршення властивостей діелектрика СК відбувається за рахунок теплового і електричного старіння ізоляційної речовини та паперу. Що причиною інтенсивного теплового старіння діелектрика є наявність несинусоїдальної напруги живлення, погіршення умов охолодження баку та фізико-хімічні процеси взаємодії ізоляційної речовини з папером, водою та повітрям. Причиною електричного старіння є перевищення напругою живлення її номінального значення СК та процеси газоутворення у присутності часткових розрядів. Зазначено, що для паперово-масляних СК 6ё10 кВ ці процеси старіння можна розглядати окремо, як паралельні процеси.

Розглянуті і проаналізовані залежності строку служби СК, що відповідають тепловому та електричному старінню і можуть бути придатні для побудови математичних моделей. Розглянуті і проаналізовані методи діагностування СК. Показано, що деякі з них придатні для безперервного контролю стану СК під час експлуатації. Показано, що існуючі засоби діагностування СК призначені для контролю параметрів режиму роботи та технічних характеристик об'єкта і не дозволяють визначати залишковий ресурс. До того ж більша частина засобів потребує виведення об'єкта з експлуатації і лабораторних умов для визначення його стану.

Показано, що статистика стану СК і параметрів режиму їх роботи на промислових підприємствах не досить повна для застосування методів статистичного аналізу з метою визначення залежностей старіння ізоляції. У зв'язку з чим вказується, що побудова математичних моделей старіння СК має відбуватись за відомими залежностями строку служби ізоляції.

На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі розроблені математичні моделі теплового та електричного старіння ізоляції СК.

З проведеного в попередньому розділі аналізу відомо, що строк служби ізоляції залежить від її перегріву за “восьмиградусним” правилом старіння, за яким побудована така математична модель теплового старіння ізоляції СК. Вимірювання параметрів будуть виконуватись через проміжок часу Dt. Залишковий ресурс СК в будь-який момент визначається через швидкість витрачання робочого ресурсу за виразом

, (1)

де H – повний робочий ресурс СК (год.) , Ноц – оціночне значення відпрацьованого ресурсу для СК, що експлуатувались до початку контролю, яке встановлюється за результатами технічного огляду СК, t0 - номінальний строк служби СК, Rт - тепловий опір конденсатора, Ui та Ii – напруга і струм СК, jі - кут зсуву фаз між ними, hі - коефіцієнт додаткових втрат при наявності гармонік в кривій напруги для і-го моменту часу, qнвк –температура навколишнього середовища, qном – номінальна температура нагріву конденсатора.

Модель адекватно відображає процес старіння при зміні значень напруги U, струму I, куту зсуву фаз j між ними, що відповідають змінам ємності С і тангенсу кута втрат tgd конденсатора, температури навколишнього середовища та певному наборі гармонік напруги мережі живлення в межах параметрів експлуатаційного режиму.

Для побудови математичної моделі електричного старіння СК використано залежності електричного старіння ізоляції, що базуються на процесах газоутворення і дії часткових розрядів і які визнані придатними для моделювання у першому розділі дисертації. Перша залежність дозволяє визначити строк служби t діелектрика класу нагрівостійкості А від прикладеної напруги U(t) та напруги появи початкових часткових розрядів Up. Залежність містить коефіцієнти А, що характеризує властивості діелектрика, і показник ступеня n = 4..8 , що залежить від конструктивних властивостей ізоляції.

Через невизначеність коефіцієнта n була проведена апроксимація залежності методом найменших квадратів за відомими даними строку служби ізоляції від прикладеної напруги СК марки КМ ,3-26-2У3 (рис.1), за якою отриманий вираз

, (2)

де A4 = 1,335Ч'106 ,5 = -1,379Ч'106 , A6 = 8,655Ч'106 , A7 = 8,2Ч'106 , A8 = -1,0473Ч'107.

Друга залежність дозволяє визначати строк служби t через питоме газоутворення масла Bg, об'єм рідкого діелектрика Vр і концентрацію газів Сg, що розчинені у рідкому діелектрику. Залежність містить сталу B, значення якої характеризує властивості ізоляції, та ваговий коефіцієнт z = 5..7 .

Через невизначеність коефіцієнту z була проведена аналогічна попередній апроксимація залежності, за якою отриманий вираз

, (3)

де B5 = 0,625 , B6 = -15,925 , B7 = 209,327 .

Оскільки в логарифмічному масштабі початкові дані (рис.1) знаходяться практично на одній прямій, то можна припустити, що вони описуються такою залежністю з ваговими коефіцієнтами a i b

,

Нелінійна апроксимація попереднього виразу за початковими даними дозволяє отримати вираз

. (4)

Конденсатор КМ ,3-26-2У3 експлуатується при напрузі 6,3±10% кВ. При виникненні відхилень напруги від вказаних меж СК відключається від мережі. Тому у вказаних межах зміни напруги була проведена поліноміальна регресія даних, що отримані за залежностями (2), (3) і (4), (рис.2) і отримана узагальнена залежність

. (5)

З виразу (5) отримана математична модель електричного старіння СК

(6)

Рис.1. Відомі дослідні дані та визначенні залежності строку служби ізоляції

Рис.2. Початкові дані і отримана узагальнена залежність t(U)

Рис.3. Граф функціонування блоку визначення залишкового ресурсу СК за тепловим

старінням ізоляції

Відносна похибка визначення строку служби СК за виразом (5) d=0,121%, що свідчить про адекватність моделі старіння.

У третьому розділі обгрунтований вибір математичного апарату секвенцій і запропоновано до використання метод синтезу структурних схем ІВС діагностування СК на основі цього математичного апарату. У зв'язку з обмеженням обсягу автореферату нижче наведений тільки синтез обчислювача ресурсу ІВС для діагностики СК за тепловим старінням за математичною моделлю (1). Граф, що відповідає цій математичній моделі, наведений на рис.3.

Даному графу відповідає секвенційний опис, який після мінімізації приймає вигляд (7).

При виконанні цього опису використано таке кодування: Р1, Р2, Р3 – режими роботи при наявності в електричній мережі 1-ої, 1 та 5-ої, 1, 5 та 7-ої гармонік напруги відповідно; ,С- конденсатор відповідно підключений і відключений від електричної мережі; Т1, Т2, Т3 - тригери, які фіксують перший, другий та третій режими роботи; Т4, Т5, Т6 і Т7 – тригери, за допомогою яких моделюється лічильник імпульсів обліку залишкового ресурсу; t1, t2 … t6 - елементи затримки часу; S0,S1…S16 - стани обчислювача ресурсу ІВС (рис.3); q - логічна вихідна змінна.

T1 ; T1 ЪT2 Ъ T3 T4;

t1T1 T1 ; t6(T1 ЪT2 Ъ T3 )T4 T5;

T2; t6(T1 ЪT2 Ъ T3 )T5 T6; (7)

t3T2 T2 ; t6(T1 ЪT2 Ъ T3 )T6 T7;

T3; R ;

t5T3 T3 ; T4 T5 T6 T7 q.

Мінімізований опис (7) є описом оптимального функціонування обчислювача ресурсу ІВС. За отриманим секвенційним описом (7) розроблена структурна схема ІВС для діагностики СК за тепловим старінням ізоляції (рис.4).

Система секвенцій (7) з врахуванням прийнятих для синтезу кодувань є формалізованим алгоритмом функціонування ІВС. Наприклад перший вираз системи (7) є частиною алгоритму, що має такий вербальний вираз.

ЯКЩО одночасно виконуються умови:

А) - конденсатор ввімкнений в мережу ();

В) - у напрузі мережі присутня тільки перша гармоніка (Р1);

С) - цей режим ще не зафіксований системою () протягом часу t2,

ТО - зафіксувати поточний режим (Т1).

Отримана таким чином сукупність вербальних виразів має мінімізовану кількість кроків і є зручною при автоматизованому створенні алгоритмів для програмування сучасних цифрових пристроїв.

Рис.4.  Структурна схема ІВС для діагностики СК за

тепловим старінням ізоляції

1 – сенсор температури навколишнього середовища; 2 - генератор імпульсів; 3 - блок встановлення нуля; 4 – блок задання номінальної температури; 5  лічильник імпульсів; 6 – блок віднімання; 7  дешифратор; 8, 13, 39  АЦП; 9 - сенсор комутації; 10  генератор імпульсів; 11  лічильник імпульсів; 12  сенсор напруги; 14  блок пам'яті; 15  перетворювач Фур'є ; 16  арифметичний блок; 17- функціональний блок; 18- регістр; 19  комутатор; 20, 27, 29, 32 – елементи "І"; 21  блок задання ресурсу; 22  лічильник імпульсів; 23  цифровий компаратор; 24  індикатор; 25  компаратор; 26  лічильник імпульсів з прямим динамічним входом; 28  елемент "НІ"; 30  генератор імпульсів; 31  тригер; 32  елемент "І"; 33  блок затримки сигналу; 34  лічильник імпульсів; 35  регістр; 36 цифро-аналоговий перетворювач; 37  блок обчислення косинусу кута зсуву сигналів; 38 - помножувач сигналів; 40  сенсор струму; 41  компаратор; 42  перетворювач змінної напруги в постійну; 43  перетворювач змінного струму в постійну напругу; 44  помножувач сигналів; 45  масштабуючий підсилювач.

Аналогічно виконано і мінімізовано секвенційний опис другої математичної моделі (6), за яким розроблена структурна схема ІВС для діагностики СК за електричним старінням ізоляції (рис.5).

Рис.5.  Структурна схема ІВС для діагностики СК за

електричним старінням ізоляції

1 - сенсор напруги; 2 - перетворювач змінної напруги в постійну; 3 - пристрій вибірки-зберігання аналогових сигналів; 4  блок задання константи; 5 і  - функціональні перетворювачі; 7 - 9 - масштабуючі підсилювачі; 10 - аналоговий суматор; 11 - блок ділення; 12 - АЦП; 18 - цифровий суматор; 14 - блок задання ресурсу; 15 - регістр; 16 - цифровий компаратор; 17 - індикатор; 18 - регістр; 19 - генератор імпульсів; 20 - лічильник імпульсів; 21 - дешифратор; 22 - блок установки нуля.

У четвертому розділі запропонована структура цифрової ІВС для діагностування стану СК, алгоритм функціонування якої базується на мінімізованих секвенційних описах попередніх двох структур. ІВС виконує одночасне паралельне діагностування СК за обома розробленими моделями старіння і відповідно до них подає сигнал про критичний стан СК.

Досліджено метрологічні характеристики ІВС. Швидкодія сучасних цифрових пристроїв дозволяє реалізувати багаторазові вимірювання параметрів режиму роботи СК з подальшим визначенням точного усередненого значення вимірювальної величини. Тому динамічні характеристики вимірювальних каналів (ВК) запропонованої структури практично не впливають на результати вимірювань. Головну роль відіграють статичні характеристики ВК. У роботі проведені експериментальні дослідження статичних характеристик ВК. Отримані математичні вирази для їх аналізу наведені у табл.1. Розроблена ІВС містить п'ять ВК: напруги (ВКН), струму (ВКС), температури навколишнього середовища (ВКТ), кута зсуву фаз (ВКФ), і коефіцієнта додаткових втрат (ВКК) (апаратною частиною ВКК є ВКН).

Також оцінено впливні величини на результат вимірювання кожного з ВК та функції їх впливу. Оцінка похибки вимірювання залишкового ресурсу СК виконана через оцінку похибок ВК. За результатами аналізу виділено шість впливних величин, які суттєво впливають на результати вимірювань, для інших доведено їх незначний вплив або дані рекомендації по їх усуненню чи врахуванню. До найбільш впливових завад (рис.6) віднесені: похибки сенсорів напруги (СН) (закон розподілу нормальний з нульовим математичним сподіван

Таблиця 1

Статичні характеристики ВК

ВК Рівняння перетворення Чутливість Поріг чутливості Роздільна здатність Адитивна похибка Мультиплікативна похибка Похибка нелінійно-сті Діапазон вимірю-вання Швидко-дія

ВКТ , q0=0,5 °C, n=9 S=1024 -55 °C 0,5 °C Dyа = 0 Dyм = -3,3792Чх Dyн = 0 -40 ё40°С 200 мс

ВКС , kТС=0,01, U0=2,7 В, n=10 S=3,793 0 А 0,02 А Dyа =0 Dyм = 0,379 х Dyн = 0 -20 ё 20 А 280 мкс

ВКК , f0=50 Гц, fG=1 MГц S=55,556 0 град 0,018 град Dyа = 0 Dyм = -0,555Чх Dyн = 0 0ё90 град 5 мс

ВКН, ВКК , R1=95 Ом, R2=5 Ом, , U0=2,7 В, n=10 S=0,301 0 В 6,768 В Dyа = 0 Dyм = =0,00301Чх Dyн = 0 -6930 ё 6930 В 280 мкс

ням) та струму (СС) (рівномірний закон розподілу), в ролі яких запропоновані вимірювальний трансформатор напруги НОМ-10 та сенсор струму ДИТ-500; похибка визначення кута зсуву фаз (j) (кут зсуву фаз сигналів з СН та СС представлений цифровим кодом – рівномірний закон розподілу); похибка вимірювання температури навколишнього середовища цифровим сенсором температури (СТ) (рівномірний закон розподілу); похибка квантування в АЦП (рівномірний закон розподілу); методична похибка швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) через дискретування та апроксимацію даних (рівномірний закон розподілу). На рис.6 вказані також середньоквадратичні відхилення (СКВ) кожної величини.

Закон розподілу загальної похибки ВК є згорткою законів розподілу похибок виділених вище величин, які характеризують ділянки перетворення сигналу в ньому. ВКН включає похибки СН і АЦП, ВКС включає похибки СС і АЦП, ВКТ включає похибку СТ, ВКФ включає похибки СН-кутову та кута зсуву фазj і ВКК включає похибки СН, АЦП і ШПФ. В кожному з вимірювальних каналів також виникає похибка, що зумовлена дією випадкових завад, яких більше п'яти і серед них не можна виділити домінуючої (закон розподілу нормальний з нульовим математичним сподіванням). Вплив цієї похибки оцінено для таких трьох випадків відмінності її СКВ від власної СКВ s вимірювального каналу: s1<<s; s2”s; s3>>s.

Рис.6. Закони розподілу складових похибок ВК

Загальний вигляд композицій законів розподілу власних і загальних (з врахуванням трьох випадків дії випадкових завад) похибок ВК наведений на рис.7. Для визначення композиції законів розподілу розроблено пакет прикладних програм в середовищі MathCad .0який використовує методи кусочно-лінійної і кусочно-нелінійної апроксимації. За допомогою розробленого пакету отримані аналітичні вирази для кожного результуючого закону розподілу.

Сукупність отриманих математичних виразів, що характеризують статичні характеристики і параметри похибок ВК утворюють математичну модель метрологічних характеристик ВК ІВС.

Запропонований метод оцінки достовірності роботи ІВС за середнім ризиком, який дозволяє визначити граничне значення строку служби силових конденсаторів ітераційними математичними методами при будь-яких законах розподілу густин імовірності дефектного і справного стану СК. Показано можливість оцінювання граничного значення строку служби для розподілу густин імовірності станів за розподілом Вейбула, який використовується для опису строку служби електрообладнання як випадкової величини. Результат залежить від повноти вибірки статистичних даних.

Запропоновані шляхи практичної реалізації ІВС для технічного діагностування СК. Створені дослідні зразки ІВС. Реалізована передача даних з ІВС до ПЕОМ експлуатаційного персоналу по послідовному інтерфейсу і розроблена програма для спостереження за роботою ІВС, що дає можливість використання створеної ІВС в загальних системах дистанційної діагностики електрообладнання.

У додатках наведено характеристики СК та ізоляційних речовин; прикладні програми у середовищі MathCad .0 Pro для моделювання розробленої ІВС, аналізу метрологічних характеристик ВК, оцінки вірогідності контролю стану СК; електричну принципову схему мікропроцесорного контролера; тексти програм прошивки контролера та для взаємодії з ПЕОМ; акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Рис.7. Композиції законів розподілу власних і загальних похибок ВК ІВС

ВИСНОВКИ

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи є такими.

У галузі теоретичних та експериментальних досліджень:

1. Впорядкована класифікація існуючих методів ідентифікації старіння ізоляції силових конденсаторів, що дозволило визначити основні причини передчасного виходу з ладу та розглянути шляхи побудови математичних моделей старіння конденсаторів. Впорядкована класифікація методів і засобів діагностування з точки зору технічної діагностики. Це дозволило, розглянувши недоліки існуючих методів і ІВС, визначити методи і шляхи створення ІВС, які придатні для діагностування конденсаторів.

2. Розроблено математичну модель для технічної діагностики СК за тепловим старінням ізоляції з врахуванням впливу несинусоїдальної напруги живлення конденсаторів. Модель дозволяє визначати залишковий робочий ресурс СК у експлуатаційному режимі.

3. Запропоновано методику визначення узагальненої характеристики електричного старіння ізоляції конденсаторів. Розроблена математична модель для технічної діагностики конденсаторів за електричним старінням. Модель дозволяє визначати залишковий робочий ресурс СК в експлуатаційному режимі. Встановлено, що запропоновані моделі адекватно відображують фізичні процеси, що протікають в ізоляції конденсаторів під час експлуатації.

4. Отримано подальший розвиток методу синтезу структурних схем ІВС для діагностики силових конденсаторів з використанням математичного апарату секвенцій. За мінімізованим секвенційним описом функціонування системи отримується формалізований алгоритм роботи ІВС. Це дозволяє автоматизувати проектування структури та алгоритму роботи ІВС.

5. Розроблено математичну модель метрологічних характеристик вимірювальних каналів ІВС для діагностики силових конденсаторів. Модель дозволяє проводити аналіз статичних характеристик і загальних похибок вимірювальних каналів за допомогою кусково-лінійної та кусково-нелінійної апроксимації проміжних згорток розподілів цих похибок.

6. Визначено та проаналізовано вплив різноманітних завад на похибки вимірювання. Виділені основні складові похибок і показано, що вони мають випадковий характер. Знайдено композиції законів розподілу для даних випадкових похибок. Виконано оцінку результатів вимірювань кожного вимірювального каналу ІВС.

7. Розроблено метод визначення достовірності роботи ІВС для діагностики конденсаторів за середнім ризиком. За методом граничне значення строку служби конденсаторів визначається ітераційними математичними методами. Показано, що визначення граничного значення можливо при використанні закону розподілу Вейбула для вибірки статистичних даних строку служби СК.

У галузі практичного використання:

1. Розроблені структурні схеми і рекомендації щодо побудови ІВС діагностування СК за тепловим та електричним старінням ізоляції на базі стандартних промислових компонентів.

2. Вибрані сенсори та функціональні елементи для забезпечення роботи мікропроцесорної ІВС і надані рекомендації щодо зниження похибок.

3. Створено пакет прикладних програм у середовищі MathCad 7 Pro, який дозволяє проводити згортання законів розподілу складових похибок вимірювальних каналів незалежно від їх складності і форми.

4. Створено пакет прикладних програм у середовищі MathCad 7 Pro, який дозволяє визначати граничне значення діагностичного параметру для будь якого розподілу цього параметра.

5. Розроблено ІВС для технічної діагностики СК, яка дозволяє визначати залишковий ресурс СК за обома розробленими математичними моделями одночасно.

6. Розроблено програмне забезпечення для дистанційного зв'язку між ІВС для діагностування СК та ПЕОМ експлуатаційного персоналу.

7. Створено пакет прикладних програм у середовищі MathCad 7 Pro, який дозволяє визначити узагальнену характеристику електричного старіння для будь-якого типу СК.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грабко В.В., Боцула М.П. Модель для оцінки стану косинусних конденсаторів // Вісник ВПІ. – 1999. - №2. – С.53-56.

2. Грабко В.В., Боцула М.П. Синтез структури інформаційно-вимірювальної системи для діагностики стану статичних конденсаторів // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. - Кременчуг: КГПИ. - 2000. - Вып. 1/2000 (8) - С.172-176.

3. Мокін Б.І., Грабко В.В., Боцула М.П. Метод та інформаційно-вимірювальна система для діагностування батарей статичних конденсаторів // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Методи і засоби технічної діагностики. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ "Факел". - 1999. - №36 (том 8). - С.195-201.

4. Грабко В.В., Боцула М.П. Математична модель старіння ізоляції силового статичного конденсатора // Теоретична електротехніка. - Львів: Львівський національний університет ім. Івана Франка. - 2000. - Вып. 55 - С.90-94.

5. Пат. 34246 А Україна, МКІ G  /12. Пристрій для вимірювання спрацювання силових статичних конденсаторів / Мокін Б.І., Грабко В.В., Боцула М.П. (Україна). - № 99063408; Заявлено 18.06.99; Опубл. 15.02.2001 Бюл. №1. – 5с.

6. Боцула М.П. Оцінка похибок вимірювальних каналів ІВС для діагностування силових конденсаторів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2001. - №4. - С.66 - 69.

7. Грабко В.В., Боцула М.П. Спосіб діагностування силових електричних конденсаторів // Праці 4-ої Всеукраїнської міжнар. конф. “Обробка сигналів і зображень та розпізнавання образів” (УкрОБРАЗ'98). – Київ : Видання Української асоціації з оброблення інформації та розпізнавання образів – 1998. – С.117-118.

8. Mokin B.I., Grabko V.V., Botsula M.P. Diagnostic method for power statics capacitor // Proc. of the 4-th Unconventional Electromechanical and Electrical Systems. - Szczecin(Poland). - 1999. - P.893-898.

9. Грабко В.В., Боцула М.П. Спосіб моніторингу ресурсу силового конденсатора і пристрій для його реалізації // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини, випуск 6. –Київ: “ФАДА, ЛТД”. – 1999. – С.478-481.

10. Грабко В.В., Боцула М.П. Математична модель старіння ізоляції силового статичного конденсатора // Тези доповідей ІІІ-ої Міжнар. науково-техн. конф. “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”. –Львів. – 1999. – С.56.

11. Грабко В.В., Боцула М.П. Математична модель моніторингу робочого ресурсу силового конденсатора. // Збірка праць IV – ої Міжнар. наукової конф. “Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств” (PQ 2000). – Маріуполь. – 2000. – С.331.

АНОТАЦІЯ

Боцула М.П. Методи та інформаційно-вимірювальні системи для технічної діагностики силових косинусних конденсаторів. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 — Інформаційно-вимірювальні системи. — Вінницький державний технічний університет, Вінниця, 2001.

Дисертація присвячена питанню діагностування СК. Розроблені математичні моделі для визначення залишкового робочого ресурсу СК за тепловим та електричним старінням ізоляції. Отримано подальший розвиток методу синтезу структурних схем на базі математичного апарату секвенцій для побудови структурних схем ІВС і алгоритмів їх функціонування. Створена цифрова ІВС для діагностування СК, що об'єднує синтезовані структури. Розроблена математична модель метрологічних характеристик вимірювальних каналів ІВС, за якою оцінені їх похибки. Розроблено метод оцінки достовірності роботи ІВС за середнім ризиком, що дозволяє визначити граничне значення строку служби СК.

Методи і технічні засоби пройшли промислову апробацію і впроваджені на підприємствах ВАТ АКВінницяобленерго" і ВАТВінницький деревообробний завод" м. Вінниці.

Ключові слова: технічна діагностика, математична модель, старіння ізоляції, силовий косинусний конденсатор, залишковий ресурс, ІВС.

АННОТАЦИЯ

Боцула М.П. Методы и информационно-измерительные системы для технической диагностики силовых косинусных конденсаторов. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 — Информационно-измерительные системы. — Винницкий государственный технический университет, Винница, 2001.

Диссертация посвящена вопросу контроля состояния силовых косинусных конденсаторов (СК) и разработке ИИС, позволяющей определять остаточный рабочий ресурс конденсаторов в эксплуатационном режиме.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы; представлены сведения об апробации, публикациях и реализации работы.

В первом разделе проведен анализ существующих методов идентификации старения изоляции СК, методов и средств диагностирования СК, что позволило определить основные причины преждевременного выхода из строя СК и основные недостатки существующих разработок по контролю их состояния. Для обобщения проведенного анализа упорядочена классификация рассмотренных методов и средств с точки зрения технической диагностики.

Во втором разделе разработаны математические модели теплового и электрического старения изоляции СК. Модель теплового старения учитывает влияние несинусоидальности напряжения электрической сети в которой работает СК и основана на правиле "восьмиградусного" старения изоляции электрооборудования. Модель электрического старения получена анализом существующих эмпирических зависимостей старения изоляции и статистических данных по сроку службы СК с применением математических методов аппроксимации и регрессии.

Установлено, что предложенные модели адекватно отражают физические процессы, протекающие в изоляции СК при эксплуатации.

В третьем разделе для синтеза структурных схем ИИС применен метод синтеза на основе математического аппарата секвенций. В соответствии с методом по математическим моделям построены графы функционирования систем, выполнены и минимизированы секвенциональные описания графов.

Показано, что минимизированные выражения позволяют не только перейти к структурным схемам устройств, но и получить формализованные алгоритмы роботы ИИС. Причем такие алгоритмы содержат минимизированное количество шагов и удобны для программирования цифровых устройств.

В четвертом разделе разработана цифровая ИИС, объединяющая ранее синтезированные структуры. ИИС функционирует на основе полученных при синтезе алгоритмов.

Предложена математическая модель метрологических характеристик измерительных каналов (ИК) ИИС. Модель позволяет проанализировать статические характеристики и параметры погрешностей ИК. Использование современных быстродействующих устройств и относительно медленное изменение измеряемых параметров позволяют пренебречь влиянием динамических характеристик ИК.

Выделены основные составные погрешностей ИК и показано, что они имеют случайный характер. При помощи модели найдены композиции законов распределения для данных случайных погрешностей, что позволило провести оценку результатов измерений ИИС. Для определения аналитических выражений композиций законов распределения в модели используются методы кусочно-линейной и кусочно-нелинейной аппроксимаций.

Предложен метод оценки достоверности работы ИИС для диагностики конденсаторов по методу среднего риска. Метод позволяет определить граничное значение срока службы СК итерационными математическими методами. На примере закона распределения Вейбулла показано определение граничного значения. Результат зависит от полноты выборки статистических данных, полученных при эксплуатации СК.

Разработанные методы и технические средства прошли промышленную апробацию и внедрены на предприятиях ОАО АК "Винницаоблэнерго" и ОАО "Винницкий деревообрабатывающий завод" г. Винницы.

Ключевые слова: техническая диагностика, математическая модель, старение изоляции, силовой косинусный конденсатор, остаточный ресурс, ИИС.

ABSTRACT

MyroslavMethods and information-measuring systems for technical diagnosis of cosine capacitors. - Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of candidate of technical sciences on the specialty 05.11.16 - Information and measuring systems. - Vinnytsia State Technical University. Vinnytsia, 2001.

The thesis considers the power capacitor diagnosis question. There had been developed mathematical models to determine the residual operating resource of power capacitor on heat and electric insulation aging. There had been obtained the further development of method for synthesis of structural diagrams on the basis of mathematical apparatus of sequences for construction of structural diagrams of information measuring systems and algorithms of their operation. There had been created the digital information measuring systems for diagnosing of power capacitors, which combines the synthesized structures. There had also been developed the mathematical model of metrological characteristics of measuring channels of information measuring systems, which evaluated their errors. There had been developed the method to evaluate the reliability of the information measuring systems operation on middle risk, which allows to determine the marginal period of power capacitor operation.

Methods and technical equipment were industrially tested and introduced to the manufacturing process on the enterprises.

Key words: technical diagnosis, mathematical model, insulation ageing, power cosine capacitor, residual information-measuring systems resource.

Підписано до друку 9.01.2002 р. Формат 29.7ґ42 1/4

Наклад 100 прим. Зам. №2002-009

Віддруковано в комп'ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького державного технічного університету.

м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 93. Тел.: 44-01-59