Диагностирование в жизненном цикле элементов ЭУ

Лекция 1

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Основные понятия и определения технической диагностики

Прежде всего, необходимо еще раз остановиться на том, что все еще существует вольное употребление терминологии «диагностика» (и ее производных) и «мониторинг», а во многих случаях и смешение понятий этих терминов.

Согласно ГОСТ 20911-89 «Техническая диагностика. Термины и определения» «техническая диагностика» (или «диагностика») это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов, а диагностирование - определение технического состояния объекта. Техническое состояние - состояние, которое характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической доку­ментацией на объект. Задачами «технического диагностирования» являются: контроль технического состояния; поиск места и определение причин отказа (неисправности); прогнозирование технического состояния. Термин «техническое диагностирование» применяют в наи­менованиях и определениях понятий, когда решаемые задачи тех­нического диагностирования равнозначны или основной задачей является поиск места и определение причин отказа (неисправно­сти). Термин «контроль технического состояния» применяется, ког­да основной задачей технического диагностирования является оп­ределение вида технического состояния. В дальнейшем рассматриваются виды состоя­ний: работоспособное и неработоспособное.

Термин " мониторинг" произошел от английского слова monitoring, (в переводе с латинского monitor - надзирающий). Само понятие мониторинг не имеет точного однозначного толкования, так как используется в рамках различных сфер научной и практической деятельности; этим и объясняется сложность формулировки определения понятия мониторинг. Мониторинг понимается как систематический сбор и обработка информации, которая может быть использована для улучшения процесса принятия решения.

Применительно к диагностике электрооборудования под термином «мониторинг» следует понимать способ сбора (съема) аппаратными средствами информации о диагностических параметрах контролируемых объектов для последующего анализа параметров средствами системы технического диагностирования. Технические средства мониторинга, представляемые комплексом датчиков, блоками преобразования и каналами связи обладают интеллектуальным уровнем, достаточным для преобразования (нормализации) сигналов датчиков, хранения и передачи результатов регистрации, обмена служебными сигналами с сервером локальной сети АСУТП. Следовательно, система мониторинга сама по себе не может существовать; она является неотъемлемой частью системы диагностики.

Подчеркнем,

Мониторинг - сбор и обработка информации, которая может быть использована для улучшения процесса принятия решения при техническом диагностировании.

Контроль технического состояния применяется, ког­да основной задачей технического диагностирования является оп­ределение вида технического состояния (работоспособное или неработоспособное).

Технического диагностирование это контроль технического состояния; поиск места и определение причин отказа (неисправности); прогнозирование технического состояния.

«Система технического диагностирования» представляет собой комплекс организационно-технических мероприятий в виде совокупности средств, объекта и инфраструктуры исполнителей, необходимой для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в технической документации. В средствах системы технического диагностирования основную роль играют расчетные модели, алгоритмы и программное обеспечение, предназначенные для анализа диагностических параметров. К такому анализу относятся: расчет отдельных диагностических параметров; выявление динамики диагностических параметров; установление диагностических параметров, достигших или превысивших нормированные значения; формирование предупреждающих сигналов; расчет остаточного ресурса и др. Диагностика является развитой интеллектуальной частью системы эксплуатации оборудования.

Существующая система диагностики, определяемая, например, в РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования» в ряде случаев не позволяет достоверно определять качество контроля технического состояния оборудования, а система регламентных испытаний в настоящее время не соответствует техническим возможностям эксплуатации оборудования и минимизации эксплуатационных расходов. Сейчас основное направление в развитии методов диагностики заключается в более подробном представлении технического состояния оборудования за счет применения новых методов диагностики и автоматизации измерения параметров оборудования в режиме мониторинга (под рабочим напряжением). Такое направление принято в РАО «ЕЭС России». Учитывая объемность и сложность решения организационно-технических задач, в РАО «ЕЭС России» приняты «Концепция технической политики ОАО РАО «ЕЭС России» и «Концепция диагностики электротехнического оборудования подстанций и линий электропередачи электрических сетей ОАО «ФСК ЕЭС». Принятые программы работ рассчитаны на решение основных задач до 2012 г.

Учитывая существующие тенденции повышения надежности диагностического контроля за счет автоматизации процесса измерения и регистрации, уменьшения числа обслуживающего персонала и получения оперативной информации о техническом состоянии оборудования, реализация систем диагностики становится эффективной в режиме мониторинга диагностических параметров контролируемого оборудования. В настоящее время только число электроэнергетических объектов в виде ОРУ и ПС класса напряжения от 110 до 750 кВ достаточно велико: на предприятиях ОАО «ФСК ЕЭС» - более 120 объектов класса изоляции 330 – 750 кВ; на РЖД – более 1300 объектов класса изоляции 110 – 220 кВ; на ГЭС, ГРЭС - более 100 объектов класса изоляции 220 – 500 кВ и пр. Одновременно вводить на этих энергетических объектах системы технической диагностики оборудования не представляется возможным по причинам организационно-технического характера и больших материальных затрат. В связи с этим требуется как оценка эффективности внедрения методов диагностики в режиме мониторинга, так и обоснованная оценка приоритетности электроэнергетических объектов или присоединений ОРУ или ПС в части введения систем мониторинга.

Общим понятием теории надежности и технической диагности­ки является работоспособность. Это понятие используется для обо­значения класса состояний ОД, находясь в котором он выполняет свойственную ему работу. Состояние, при котором значения всех диагностических признаков, характеризующих способность ОД вы­полнять заданные функции, соответствуют установленным требова­ниям, называется работоспособным. В этом случае можно говорить, что оборудование функционирует штатно. Установленные требо­вания образуют область работоспособности (ОР).

Неработоспособное состояние - состояние, при котором значе­ние хотя бы одного диагностического признака, характеризующего выполнение заданной функции, не соответствует установленным требованиям. Если объект неработоспособен и выполняет часть функций, то он функционирует нештатно.

Различают рабочее и тестовое диагностиро­вание. При рабочем диагностировании состояние объекта оценивается по выходным параметрам при подаче на его входы рабочих воздействий. При тестовом диагностировании состояние объекта оценивается по его реакции, вызываемой подаваемыми на его входы специальными тестовыми воздействиями.

Диагностирование может осуществляться различными методами. Метод диагностирования - совокупность операций, действий, позволяющих дать объективное заключение о состоянии объекта. Определение состояния объекта предусматривает наличие обосно­ванных алгоритмов диагностирования. Алгоритм диагностирования представляет собой совокупность предписаний, определяющих упо­рядоченную последовательность действий при проведении диагно­стирования. Они реализуются средствами диагностирования, под которыми понимаются аппаратура, программы и эксплуатационная документация, позволяющая оценить состояние технических объектов. Результат диагностирования, то есть заключение о техническом состоянии объекта, называют диагнозом.

Блок, устройство, прибор, оборудование, система, подлежащей (подвергаемые) диагностированию, называются объектом диагностирования (ОД).Часть ОД, которую при диагностировании нельзя разделить на более мелкие, называют элементом (структурной единицей, СЕ). Любой объект диагностирования состоит из элементов. Например, генератор электростанции может рассматриваться как ОД из одной СЕ. Распределительная сеть может включать в себя как минимум три элемента (опору, провод, изолятор). Районная элек­трическая подстанция состоит из многих структурных единиц.

Все ОД с позиции используемого математического аппарата для описания изменения его состояния можно разделить на: непрерыв­ные (аналоговые, кроме ЭВМ) и дискретные (цифровые) - ЭВМ (релейно-контакторные схемы).

Состояние ОД оценивается по диагностическим признакам. Ди­агностическим признаком (ДП) называют параметр или характери­стику, используемую при диагностировании и несущую информа­цию об изменении состояния ОД:

параметры ξ - физические величины: сила тока I, напряжение U, мощность Р, время переходного процесса tnn и др.;

характеристики - зависимость одной физической величины от другой, а именно: статическая характеристика, если величина не за­висит от времени, частоты. Например, внешняя характеристика U=f(I) генератора постоянного тока (рис.1, а) при смешанном 1, независимом 2, параллельном 3 возбуждении соответственно; дина­мическая характеристика, если такая зависимость есть. Например, амплитудно-частотная А=f(ω) (рис. 1, б), переходная h(t) характеристика (рис. 1, в). Каждому состоянию соответствует определенное значение диагностического признака.

Электрическую сеть характеризуют две группы параметров: первая позволяет оценить электроэнергию с точки зрения потребителя, вторая - состояния сети в качестве надежного и безопасного канала транспортировки этой энергии.

Рис. 1. Виды диагностических характеристик

К первой группе относятся: частота, напряжение, ток, мощность, угол сдвига между током и напряжением, а также ряд параметров, характеризующих качество электроэнергии.

Ко второй группе можно отнести сопротивление изоляции, ем­кость сети по отношению к земле, т.е. все то, что позволяет оценить качество изоляции электрической сети.

Переход из класса работоспособных состояний, определяющих область работоспособности ОР, в класс неработоспособных называ­ется отказом. При этом возможен полный отказ (момент t_по), приво­дящий к полной потере работоспособности и прекращению функ­ционирования (отключение фидера при двух- и трехфазных замыка­ниях), и частичный отказ (момент t_чо) при однофазных замыканиях на землю), т.е. сеть продолжает функционировать с ухудшенными показателями качества электроэнергии.

Существует третий тип отказа элемента - " перемежающийся", означающий, что он то исчезает, то снова появляется. Это затрудня­ет определение местоположения отказавшего элемента, так как при проверке оборудование может оказаться работоспособным, а через некоторое время неработоспособным.

Причиной потери работоспособности или резкого снижения за­паса работоспособности является дефект от лат. defectus - изъян, не­дочет, недостаток.

В ОД, состоящем из нескольких элементов, дефектом является отказ элемента, нарушение связи или появление связи между элемен­тами. Возникновение же дефекта в ОД, состоящего из нескольких элементов, не обязательно приводит к потере его работоспособно­сти. При этом ОД сохраняет работоспособность при наличии в нем дефекта за счет избыточности (структурной, временной, информа­ционной) или за счет того, что потеря работоспособности не всех элементов приводит к потере его работоспособности. Например, в гирлянде изоляторов воздушной линии появились нулевые элементы, в ОД возник дефект, но он не потерял работоспособности. В том случае говорят, что запас работоспособности его снизился, а следовательно, повысилась вероятность его отказа в дальнейшем.

Дефекты разделяют на одиночные и кратные (несколько сразу), Логические (нарушение алгоритмов) и физические (элементы, связи).

При диагностировании, как уже было сказано, могут решаться три следующие задачи:

1 – контроль работоспособности (КР); 2 – поиск места и определение причины отказа – дефекта (ПД); 3 - прогнозирование изменения состояния (ПИС). Какие из этих задач решаются в процессе диагностирования зависит от условий его выполнения и особенностей электроэнергетического оборудования.

Первая задача обязательно решается при диагностировании объектов любого назначения. Контроль работоспособности предполагает проверку соответствия значений диагностических признаков ОД требованиям технической документации и определение на этой основе вида технического состояния в данный момент времени. Видами технического состояния, как уже говорилось, являются работоспособное и неработоспособное. Поэтому в дальнейшем наряду с понятием контроль технического состояния употребляются понятия контроль работо­способности и контроль запаса работоспособности.

В том случае, когда ОД утратил работоспособность или запас работоспособности значительно снизился, при диагностировании может решаться вторая задача. Целесообразность решения ее опре­деляется возможностью восстановления ОД, устранения возникшего дефекта, т.е. восстановления работоспособности ОД. В свою оче­редь, устранить возникший дефект можно только, если ОД ремонто­пригоден и приспособлен к устранению возникающих в нем дефек­тов, а обслуживающий персонал имеет средства и время для его вос­становления. Поиск возникшего дефекта начинается при условии, что уже известно о наличии дефекта, но неизвестно, какой именно дефект возник.

При решении третьей задачи изучается характер изменения ди­агностических параметров под влиянием внешних и внутренних воз­действий и на основе сформировавшихся тенденций предсказывается значение параметров в будущий момент времени.

Наиболее распространенными сочетаниями задач, решаемых в процессе диагностирования, являются:

контроль работоспособности (запаса работоспособности) и по­иск возникшего дефекта;

контроль работоспособности (запаса работоспособности) и прогнозирование технического состояния;

контроль работоспособности (запаса работоспособности), по­иск возникшего дефекта и прогнозирование технического состояния.

Первый случай имеет место тогда, когда диагностируется вос­станавливаемый ОД. В этом случае на основе полученного диагноза обслуживающий персонал проводит работы по восстановлению его работоспособности. Второй случай характерен для ОД, когда обслу­живающий персонал, учитывая диагноз, принимает решение об ис­пользовании или режиме его использования. Третий случай наблю­дается при наличии у восстанавливаемого ОД необходимости уста­новления срока его безотказного функционирования. Такое положение типично для диагностирования высокосложных и особо ответственных ОД. При решении основных задач диагностирования возможны различные действия по формированию диагноза:

Рис.2. Процесс постановки диагноза

а) при положительном ре­зультате КР:

выдача заключения о ра­ботоспособности ОД;

контроль запаса работо­способности (КЗР) объекта диагностирования и выдача заключения о его состоянии;

прогнозирование изменения состояния (ПИС) объекта диагно­стирования и выдача заключения о его состоянии;

б) при отрицательном результате КР:

выдача заключения о неработоспособности ОД;

поиск возникшего дефекта (ПД) и выдача заключения о состоя­нии ОД.

При этом возможны следующие виды диагноза:

1)" Работоспособен", " Годен", " Да";

2)степень работоспособности 10,..., 50,..., 100%;

3)оборудование проработает 10000 ч;

4)" Неработоспособен", " Не годен", " Нет";

5)" Износ изоляции силового трансформатора".

В основу методологии технической диагностики положены следующие исходные положения.

1. Допущение о том, что объект может находиться в конечном множестве состояний S, которое определяется ограниченными воз­можностями измерительных средств (рис.). В множестве S выде­ляются два непересекающихся подмножества S _р и S_Н: Sр - подмножество работоспособных состояний; S н - подмножество неработо­способных состояний.

Рис.3. Иллюстрация конечности множества состояний ОД.

Подмножество S р={s_i}, i = 1, n в ключает все состояния, которые позволяют ОД выполнить возложенные на него функции или решить поставленные перед ним задачи, т.е. когда ОД работоспособен. Каждое состояние в этом подмножестве различается запасом работоспособности, который характеризуется приближением состояния объекта к предельно допустимому Состояние оценивается путем измерения и контроля параметров ξ (рис.6.5) или характеристик.

Подмножество S_н = {s_j}, j = 1, n включает все состояния, соответствующие возникновению в объекте дефектов, приводящих к потере его работоспособности. Мощность подмножества S _Н определяется количеством различимых дефектов или глубиной поиска дефектов.

2. Решение задач по оценке состояния объекта сводится к анали­зу множества S, если отсутствует информация о состоянии ОД; под­множества S _н или S_p, если информация о состоянии ОД имеется.

При контроле работоспособности проверяются условия работо­способности и полученные результаты относят к одному из подмно­жеств S_p или S_н.Условия работоспособности определяются как ог­раничения на диагностические признаки, при выполнении которых ОД может выполнить поставленные перед ним задачи или возло­женные на него функции.

При поиске возникшего дефекта, когда установлено, что объект неработоспособен, осуществляется анализ подмножества состояний S_Н и устанавливается, какому именно состоянию s_j соответствует его текущее состояние. В случае резкого снижения запаса работоспособ­ности поиск дефекта возможен в подмножестве работоспособных состояний S_р. Необходимость поиска дефектов определяется ремон­топригодностью объекта и требованием минимизации времени его технического обслуживания и восстановления.

При прогнозировании работоспособного состояния объекта осуществляется анализ подмножества S_Р состояний, причем каждому состоянию s_i € S_p соответствует определенный запас работоспособ­ности объекта. Анализ состояний объекта в подмножестве S _р позво­ляет установить характер изменения запаса его работоспособности и в ряде случаев предсказать моменты перехода объекта в подмножество состояний S_Н и, следовательно, спрогнозировать состояние объ­екта.

3. Возникновение в объекте дефекта не означает, что он нерабо­тоспособен. Появление дефекта приводит к тому, что объект из одного состояния s _к переходит в другое состояние s _l. Однако при этом могут не нарушаться условия работоспособности. Это происходит том случае, когда s _к и s_lотносятся к подмножеству состояний S_Р (в случае резервирования). Таким образом, работоспособный объект может иметь дефект, так же как и неработоспособный. Следовательно, заключение о том, что ОД работоспособен, не означает, что в нем

Рис.4. Иллюстрация множеств Рис. 5. Структурная схема
работоспособных и неработо- системы диагностирования

способных состояний

отсутствуют дефекты. С другой стороны, если ОД неработоспо­собен, то в нем обязательно имеется дефект.

4. В процессе диагностирования участвуют объект диагностиро­вания (ОД), средства технического диагностирования (СТД) и чело­век оператор (ЧО). Их совокупность образует систему диагностиро­вания (рис.5) как было сказано ранее.

Рассмотренные положения являются основой, позволяющей создавать системы диагностирования ЭУ. При этом объект должен иметь диагностическое обеспечение - комплекс диагностических при­знаков, алгоритмы и средства, необходимые для осуществления ди­агностирования на всех этапах жизненного цикла объекта.

Диагностирование в жизненном цикле элементов ЭУ

Длялюбого технического объекта характерны следующие стадии жизненного цикла: проектирование, изготовление, эксплуатация.

Проектирование - процесс анализа и планирования затрат, сро­ков разработки, задание требований к системам электроснабжения, Разработка технической документации, по которой создаются системы, и эксплуатационно-технической документации, по которой этисистемы будут эксплуатироваться.

Изготовление - процесс реализации технических требований в " металле", включая испытание как этап комплексной проверки ха­рактеристик оборудования, собранного из частей.

Эксплуатация - совокупность организационно-технических мероприятий, обеспечивающих технически-правильное применение электроснабжения, постоянную готовность к применению, подержание работоспособного состояния и продления ресурса. Эксплуатация включает в себя транспортировку, хранение, техническое обслуживание, ремонт и применение по назначению.

Диагностирование возможно на всех стадиях жизненного цикла электроустановок (рис.7).

Рис.7. Диагностирование в жизненном цикле электроустановок

На самом начальном этапе проектирования ЭУ необходимо ре­шать задачи организации системы диагностирования (определения периодичности и продолжительности использования и диагности­рования, показателей безотказности, контроля и ремонтопригодно­сти элементов). Для оценки состояния элементов ЭУ необходимо, во-первых, спроектировать объект, приспособленный к оценке его состояния с требуемой глубиной и достоверностью; во-вторых, соз­дать ТСД, которые позволяли бы оценивать состояние объекта в за­данных условиях; в-третьих, определить роль и функции ЧО, участ­вующего в процессе диагностирования. Чтобы ЭУ была приспособ­лена к диагностированию, при ее проектировании необходимо раз­работать перечень оцениваемых диагностических признаков, мето­ды их оценивания, условия работоспособности и признаки наличия дефектов, алгоритмы диагностирования. В процессе проектирования определяется эффективность, которую можно достичь при исполь­зовании системы диагностирования.

В процессе изготовления элементов ЭУ необходимо оценивать их состояние. Так, при выходном контроле проверяется правиль­ность сборки и монтажа. В случае несоответствия элемента ЭУ предъявленным требованиям осуществляется поиск дефектов.

В процессе эксплуатации диагностирование выполняют непре­рывно или периодически. При необходимости осуществляют про­гнозирование или поиск возникшего дефекта для профилактических или восстановительных работ. Диагностирование на этом этапе по­зволяет обосновать дальнейшее использование элементов ЭУ. Диагностированию подвергают хранящуюся переведенную специально в режим диагностирования ЭУ.

Задачи, связанные с необходимостью диагностирования ЭУ на разных стадиях, могут оказаться различными, что необходимо учитывать при разработке системы диагностирования. Отличие в задачах, решаемых при диагностировании объекта на различных стадиях, требует разработки средств диагностирования, предназначенных для использования на конкретных стадиях, например, технические средства предназначенные для диагностирования в процессе изготовления или в процессе эксплуатации. Система диагностирования эффективна лишь в тех случаях, когда состояние элементов ЭУ будет оцениваться на всех стадиях ее жизненного цикла. Это позволит по­высить эффективность использования ЭУ, а надежность ее можно поддерживать на уровне, заложенном при проектировании.