Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

Южанников А. Ю., Чупак Т. М.

Кафедра «Электроснабжение и электрический транспорт» Красноярского государственного технического университета исследует новый техноценологический подход к проблеме прогнозирования состояния силовых трансформаторов с учётом их загрузки и срока эксплуатации по результатам статистических данных анализа растворённых в масле газов.

В последние годы в энергетике наметилась тенденция к последовательному переходу от системы ППР к ремонтам по техническому состоянию. В настоящее время в России значительная часть силовых трансформаторов 110 кВ и выше выработала свой нормативный срок службы 25 лет. В связи с этим всё более актуальной становится задача продления сроков службы и оценка возможности дальнейшей эксплуатации такого оборудования.

Законы развития живой природы, включающей тдельные особи, и техники, состоящей из отдельных элементов, имеют много общего. Известно, что в 1877 г. при исследовании свойств отдельных особей и
совокупностей живых организмов Клаус Фердинанд Мебиус ввел понятие «биоценоз». Биоценоз - совокупность живых организмов, обитающих на определенном участке, где условия внешней среды определяют его видовой состав. Термин «техноценоз» и ценологический подход к исследованию
сложных технических систем предложены Б.И. Кудриным, где техноценоз определяется как сообщество
всех изделий, включающее все популя ции, ограниченное в пространстве и времени. Кудрин Б.И. пред
ложил использовать модель H-распределения для математического описания видового и рангового рас
пределения техноценозов. Данная теория предполагает существование идеального распределения эле
ментов ценоза.

Объясним существование идеальной технической системы. В технике существует понятие «Золотое сечение» - деление отрезка на две части, при котором длина отрезка так относится к большей части, как большая часть относится к меньшей. Принято считать, что гармония и идеальное распределение ценоза как системы, выполняющей свое функциональное назначение, подчиняются «Золотому сечению», а понятие «Золотое сечение» неразрывно связано с числами Фибоначчи. В 1202 г. была написана книга под названием «Liber abacci». Автором этой книги был итальянский купец и математик Леонардо (1180-1240 г.г.) из Пизы, известен по прозвищу - Фибоначчи. Часть этого трактата составляла задача про кроликов. Решая эту задачу, Фибоначчи получил последовательность чисел, где последующее число равно сумме двух предыдущих чисел: 0; 1; 1; 2; 3; 5; 8; 13; 21; 34 и т.д. Отношение последующего члена ряда к предыдущему с ростом последовательности стремится к коэффициенту золотого сечения Ф =1,618. Если взять числовой ряд 1,0; 0,62; 0,38; 0,24; 0,15; 0,09 и т.д. (что сильно напоминает шкалу мощностей трансформаторов), состоящий из чисел с коэффициентом 1,618 («Золотое сечение»), то этим числовым рядом можно описывать при ранжировании в ценозе соотношение количества видов и численности каждого вида.

Изменение электрической нагрузки трансформаторов влияет на температуру обмоток и масла (температура масла - интегральный показатель, как нагрузки, так и интенсивности охлаждения), но в настоящее время при описании состояния силового масляного трансформатора его нагрузка не учитывается. Масло как диагностическая среда позволяет выявить до 70% возможных дефектов трансформатора. Улучшение диагностических возможностей должно развиваться как за счет расширения контролируемых показателей, так и совершенствования методологии их интерпретации. В последнее время одним из наиболее информативных и актуальных является хроматографический анализ растворенных в масле газов (ХАРГ) как один из основных методов оценки состояния силового маслонаполненного оборудования (СМТ).

Для совершенствования методик анализа результатов диагностики с целью повышения достоверности выводов по оценке состояния трансформаторного оборудования необходим статистический анализ параметров газов. При выполнении статистического анализа введены ограничения, снижающие размерность задачи и упрощающие исследование. К числу таких ограничений относятся срок эксплуатации СМТ и нагрузка. Считается, что эти параметры не оказывают существенного влияния на однородность выборок.

В электрической системе в качестве вида выделены 19 трёхобмоточных трансформаторов одной энергосистемы напряжением 110 кВ с РПН, разных типов, различной номинальной мощности. В качестве видообразующего параметра исследуются срок эксплуатации трансформатора, его нагрузка, температура масла и результаты ХАРГ (содержание Н2, СН4, С2Н2, С2Н4, С2Н6, СО2, СО) за 5 лет дважды в год.

На начальном этапе рассмотрено моделирование содержания растворенных газов с применением линейного множественного регрессионного анализа для определения фактического содержания газов на основании технологических характеристик Х1, Х2,...,Хm по эмпирической линейной зависимости в алгебраической и матричной формах.

Результаты расчётов позволяют сделать следующие выводы:

  • примерно 50 % моделей удовлетворительно описывают содержание соответствующего газа;
  • переменная Х1 - срок эксплуатации трансформаторов, является единственной значимой вели
    чиной для всех рассмотренных моделей;
  • остальные параметры статистически незначимы, что говорит о невозможности применения ли
    нейного множественного регрессионного анализа к описанию содержания газов всех трансформаторов через их технологические характеристики по одной зависимости.

Несмотря на то, что число экспериментов существенно превышает количество коэффициентов модели (180 >> 8) регрессию нельзя назвать достоверной.

На следующем этапе сравнивалась аппроксимация данных, полученных в результате замеров (динамики) и проранжированная в порядке убывания аппроксимация. Например, коэффициенты детерминации регрессионных моделей динамики загрузки и рангового распределения (0,2089 и 0,9952 соответственно для полинома четвёртой степени) показывают, что более точным является моделирование с использованием ранжирования.

Эта особенность является проявлением свойств систем ценологического типа, для которых методом исследования является ранговый анализ, имеющий целью статистическое описание, и в качестве основного критерия, форму видовых и ранговых распределений, получивших в последнее время широкое применение. Для определения принадлежности исследуемой совокупности данных по результатам анализов к статистике техноценологического типа, на первом этапе cформированы матрицы табулированного рангового параметрического распределения. Чтобы определить принадлежность критериям Н-распределения данные проверялись на подчинение нормальному закону распределения и вычислялись коэффициенты, характеризующие степень взаимосвязанности техноценоза.

В результате расчётов выяснено, что данные не принадлежат нормальному закону распределения и все коэффициенты статистически значимы, а это говорит о том, что исследуемый объект является ярко выраженным техноценозом. Данный вывод позволяет при обработке статистических данных по ХАРГ использовать методологию рангового анализа. Для аппроксимации эмпирических ранговых распределений в качестве стандартной задаём двухпараметрическую гиперболическую форму, которая наилучшим образом описывает совокупность точек. Аппроксимация осуществлялась методами наименьших модулей и методом наименьших квадратов. В результате получили двухпараметрическую зависимость для каждого из распределений.

Полученные результаты позволяют сделать предположение о возможности использования методологии рангового параметрического распределения для анализа состояния силовых трансформаторов по результатам хроматографического анализа растворённых в масле газов, прогнозирования состояния на следующий временной интервал, интервального оценивания с целью выявления проблемных объектов и ряда других вопросов с учётом загрузки трансформатора и его срока эксплуатации.