Современные методы диагностики тяговых трансформаторов железных дорог и построение экспертной системы для обработки результатов тепловизионной диагностики тяговых трансформаторов ВСЖД - дипломная работа

Содержание

Введение

1. Методы диагностирования силовых трансформаторов тяговых подстанций

1.1 Основы технической диагностики

1.2 Диагностика изоляции силового трансформатора

1.3 Трансформаторное масло - инструмент оценки состояния трансформатора

1.3.1 Методы определения фурановых производных в трансформаторном масле

1.3.1.1 Метод определения 4-х фурановых производных методом газожидкостной хроматографии

1.3.1.2 Экспресс-методика визуального определения фурфурола в трансформаторных маслах

1.3.2 Определение фракционного состава механических примесей

контроль класса промышленной чистоты

1.3.3 Контроль влажности

1.3.4 Метод определения растворенного в масле ионола

1.3.5 Автоматизированная система измерения температурой зависимости тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла

1.4 Основы измерения характеристик частичных разрядов в силовых трансформаторах

1.5 Диагностика механического состояния обмоток силовых трансформаторов методом частотного анализа

1.6 Вибрационное обследование и диагностика состояния силовых трансформаторов

1.6.1 Цель проведения вибрационной диагностики силовых трансформаторов

1.6.2 Определение параметров прессовки обмоток и магнитопровода по вибрации на поверхности бака трансформатора

1.6.3 Уточнение диагноза «распрессовка обмотки» проведением измерений вибрации при изменении температуры трансформатора

2. Термографические методы диагностирования тяговых подстанций

2.1 Основные определения

2.2 Методы тепловизионного диагностирования силовых трансформаторов тяговых подстанций

2.3 Факторы, влияющие на эффективность тепловизионного обследования

2.4 Методика ТВО электрооборудования

2.5 Тепловизионное обследование силовых трансформаторов

2.5.1 Определение местоположения дефектов в магнитопроводах трансформаторов

2.5.2 Определение внутренних дефектов обмоток

2.5.3 Определение работоспособности устройств системы охлаждения трансформатора

2.5.3.1 Маслонасосы

2.5.3.2 Дутьевые вентиляторы

2.5.3.3 Термосифонные фильтры

2.5.3.4 Переключающие устройства

2.5.3.5 Радиаторы

2.5.3.6 Датчик температуры

2.5.3.7 Поверхность бака трансформатора

2.5.3.8 Маслорасширители

2.5.3.8 Системы охлаждения трансформаторов

3. Результаты тепловизионных обследований (ТВО) тяговых подстанций ВСЖД

3.1 Анализ результатов тепловизионного контроля силовых Трансформаторов

4. Применение экспертных систем для обработки результатов диагностирования силовых трансформаторов

4.1 Основные понятия и определения

4.1.1 Назначения и основные свойства экспертных систем

4.1.2 Архитектура экспертных систем

4.1.3 Состав и взаимодействие участников построения и

эксплуатации экспертных систем

4.1.4 Преимущества использования экспертных систем

4.1.5 Основные режимы работы экспертных систем

4.1.6 Отличие экспертных систем от традиционных программ

4.1.7 Технология разработки экспертных систем

4.2 Представление знаний в экспертных системах

4.2.1 Логические исчисления

4.2.2 Фреймовая модель

4.2.3 Семантические сети

4.2.4 Представление знаний с использованием правил

4.3 Концепция экспертной системы для обработки результатовТВО трансформаторов

4.3.1 Интегрированная инструментальная среда exsys

4.3.2 Написание набора правил в инструментальной среде exsys

5. Расчёт стоимости программного продукта

6. Охрана труда и безопасность жизнедеятельности проекта.

Эргономические и санитарно-гигиенические нормы при организации работы вычислительного центра

6.1 Необходимость разработки и соблюдения норм…

6.2 Общие положения и область применения…

6.3 Требования к ПЭВМ

6.4 Требования к помещениям для работы с ПЭВМ

6.5 Требования к микроклимату, содержанию аэроионов и вредных химических веществ в воздухе на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ

6.6 Требования к уровням шума и вибрации на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ

6.7 Требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ

6.8 Требования к уровням электромагнитных полей на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ

6.9 Требования к визуальным параметрам ВДТ, контролируемым на рабочих местах

6.10 Общие требования к организации рабочих мест пользователей ПЭВМ…

6.11 Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ПЭВМ для взрослых пользователей

6.12 Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ПЭВМ для обучающихся в общеобразовательных учреждениях начального и высшего профессионального образования

6.13 Требования к организации медицинского обслуживания пользователей ПЭВМ…

6.14 Требования к проведению государственного санитарно-эпидемиологического надзора и производственного контроля

6.15 Расчет искусственного освещения аудитории вычислительного центра

Заключение

Приложение А

Список литературы

Введение

Системы тягового электроснабжения (СТЭ) образуют значительное количество устройств, длительная эксплуатация которых без надлежащего диагностирования технического состояния может привести к выходу их из строя и значительному экономическому ущербу. Для реализации эффективного диагностирования устройств тягового электроснабжения необходимы методики контроля и современные технические средства.

В настоящее время в эксплуатацию помимо традиционных испытаний все более широкое применение находят такие современные методы, как высокоэффективная жидкостная и газовая хроматография, определение фракционного состава механических примесей и характера загрязнений при помощи автоматических счетчиков частиц и устройств мембранной фильтрации, инфракрасная спектроскопия, определение электрической проводимости трансформаторных масел.

При оценке состояния трансформаторов, прежде всего с длительным сроком службы, а также вызывающих «беспокойство», в связи с отрицательной динамикой изменения диагностических параметров целесообразно проводить комплексные диагностические обследования, привлекая для этого специализированные организации.

Решение задач диагностирования электрооборудования тяговых подстанций (ТП) может быть выполнено на основе тепловизионных обследований (ТВО). Современные инфракрасные камеры имеют значительное оптическое разрешение, широкий диапазон измеряемых температур, не требуют охлаждения термочувствительного элемента жидким азотом. Эти приборы позволяют автоматически отсчитывать температуру в центре визирного перекрытия, выстраивать профиль температуры в режиме реального времени, вести непрерывную запись изображения на гибкий магнитный носитель. Вместе с приборами поставляются программные продукты, обеспечивающие эффективную компьютерную обработку получаемых термограмм.

Тепловизионное диагностирование позволяет решать актуальные практические задачи, такие как:

1) массовое обследование огромного объема электрооборудования одной бригадой из трех человек с одной тепловизионной камерой;

2)выявление значительного количества аппаратов, находящихся в предаварийном состоянии (дефектные контактные соединения, трансформаторы тока, конденсаторы связи, вентильные разрядники и ОПН);

3)выявление таких дефектов, которые не могут быть выявлены никакими другими методами, например, местный перегрев конструктивных элементов баков силовых трансформаторов, нагрев соединительных болтов в поддерживающих металлических конструкциях шинопроводов или перегрузки отдельных элементов вентильных разрядников 110 кВ и выше.

В системах тягового электроснабжения термография может применяться по всему циклу распределения и потребления электроэнергии: от тяговых подстанций до электрооборудования ЭПС. Термограмма быстро и четко укажет на возникшие неполадки задолго до того, как они превратятся в крупные эксплуатационные проблемы.

В настоящее время при проведении тепловизионного обследования ставят в основном задачи выявления участков локального теплового перегрева, обусловленного потенциальными дефектами, и при их обнаружении задачу считают выполненной. Это сужает рамки ТВО и не позволяет использовать инфракрасную технику в полной мере. Превратить ТВО в полноценный способ технического диагностирования можно на основе разработки математических методов и компьютерных технологий обработки результатов обследований.

Эффективность и информативность этого вида оценки состояния оборудования оказывается особенно высокой, если тепловизионный контроль включается в комплексный процесс диагностики СТ, проводимой на базе экспертной системы.

Экспертная система (ЭС) - это программное средство, использующее экспертные знания для обеспечения высокоэффективного решения неформализованных задач в узкой предметной области. Основу ЭС составляет база знаний (БЗ) о предметной области, которая накапливается в процессе построения и эксплуатации ЭС.

В процессе решения задачи ЭС запрашивает у пользователя факты, касающиеся конкретной ситуации (проблемы). Получив ответы, ЭС пытается вывести заключение (рекомендацию). Эта попытка выполняется механизмом вывода, решающим, какая стратегия эвристического поиска должна быть использована применительно к данной проблеме. Пользователь может запросить объяснение поведения ЭС и объяснение ее заключений. Качество вывода определяется методом, выбранным для представления знаний, объемом базы знаний и мощностью механизма вывода.

1. Методы диагностирования силовых трансформаторов тяговых подстанций

1.1 Основы технической диагностики

Диагностика – область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.

Диагностирование – определение технического состояния объекта.

Мониторинг – контроль объекта с заданной степенью регулярности.

Техническая диагностики - отрасль научно-технических знаний, сущность которой составляют теории, методы и средства обнаружения и поиска дефектов в объектах технической природы. Под дефектами следует понимать любое несоответствие свойств объекта заданным (требуемым или ожидаемым) свойствам. Установление каким-либо способом факта несоответствия называют обнаружением дефекта.

Основное назначение технической диагностики состоит в повышении эксплуатационной надежности объектов, а также в предотвращении брака при изготовлении, как самого объекта, так и составляющих его частей. Повышение надежности обеспечивается улучшением таких показателей, как коэффициент готовности, коэффициент технического использования, время восстановления работоспособного состояния, а также ресурс (срок службы) и наработка до отказа или наработка на отказ для резервированных объектов с восстановлением.

Если в текущий момент реальною времени использования объекта по назначению его параметры (признаки) находятся в требуемых пределах, то такой объект является правильно функционирующим.

Техническое состояние неправильно функционирующею, неисправного или неработоспособного объекта может быть детализировано путем обнаружения конкретных дефектов, нарушающих исправность, работоспособность или правильность функционирования, причем дефекты эти могут относиться как к объекту в целом, так и к его составным частям.

Обнаружение и поиск дефектов являются процессами определения технического состояния объекта и объединяются общим термином "диагностирование". По результатам диагностирования ставится диагноз. Задачами диагностирования являются проверка исправности, работоспособности и правильности функционирования объекта, а также поиск дефектов, нарушающих ни показатели. Строгая постановка таких задач предполагает, во-первых, прямое или косвенное задание класса возможных дефектов и, во-вторых, наличие формализованных методов построения алгоритмов диагностирования, реализация которых обеспечивает или обнаружение дефектов из заданного класса с требуемой полнотой, или поиск дефектов с требуемой глубиной.

Диагностирование технического состояния любого объекта осуществляется теми или иными средствами. Средства могут быть аппаратными или программными. Средства и объект диагностирования, взаимодействующие между собой, образуют систему диагностирования.

В системах тестового диагностирования на объект подаются специально организуемые тестовые воздействия. В системах функционального диагностирования, которые работают в процессе применения объекта по назначению, подача тестовых воздействий, как правило, исключается; на объект поступает только рабочее воздействие, предусмотренное его алгоритмом функционирования. В системах обоих видов средств диагностирования воспринимают и анализируют ответы объекта на входные (тестовые иди рабочие) воздействия и выдают результат диагностирования, т.е. ставят диагноз: объект исправен или неисправен, работоспособен или неработоспособен, функционирует правильно или неправильно, имеет какой-нибудь дефект или в объекте повреждена какая-то его составная часть и тому подобное.

Система диагностирования в процессе определения технического состояния объекта реализует некоторый алгоритм тестового или функционального диагностирования. Алгоритм диагностирования в общем случае состоит из определенной совокупности так называемых элементарных проверок и правил анализа их результатов. Результатом экспериментальной проверки являются конкретные значения ответных сигналов объекта в соответствующих контрольных точках. Окончательное заключение о техническом состоянии объекта (диагноз) делается в общем случае по совокупности полученных результатов экспериментальных проверок.

В технической диагностике можно выделить три типа задач определения технического состояния объектов:

1) к первому типу относятся задачи определения технического состояния, в котором находится объект в настоящее время; это задачи диагностирования;

2)ко второму типу относятся задачи предсказания технического состояния, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени; это задачи прогнозирования;

3)к третьему типу относятся задачи определения технического состояния, в котором находился объект в некоторый момент времени в прошлом; это задачи генеза.

Задачи первого типа формально можно отнести к технической диагностике, а второго типа - к технической прогностике (к техническому прогнозированию) Отрасль знания, занимающаяся решением задач третьего типа, называется технической генетикой.

Задачи технической генетики возникают при расследовании аварий, когда техническое состояние объекта в рассматриваемое время отличается от состояния, в котором он был в прошлом. Эти задачи решаются путем определения возможных или вероятных предысторий, ведущих в настоящее состояние объекта.

К задачам технической прогностики относятся задачи, связанные с определением срока службы объекта или с назначением периодичности профилактических испытаний и ремонтов. Эти задачи решаются путем определения возможных или вероятных эволюции состояния объекта, начинающихся в настоящий момент времени.

Решение задач прогнозирования очень важно для организации технического обслуживания оборудования по состоянию - (в место обслуживания по срокам или ресурсу). Непосредственное применение методов решения задач диагностирования к задачам прогнозирования невозможно из-за различия моделей, с которыми приходится работать. При диагностировании моделью обычно является описание объекта, в то время как при прогнозировании необходима модель процесса эволюции технических характеристик объекта во времени.

В результате диагностирования каждый раз определяется не более чем одна "точка" указанного процесса эволюции для текущего момента (интервала) времени. Вместе с тем хорошо организованное диагностическое обеспечение объекта с хранением всех предшествующих результатов дает полную и объективную информацию, представляющую собой предысторию развития (динамику) процесса изменения технических характеристик объекта в прошлом, что может быть использовано для систематической корреляции прогноза и повышения его достоверности.

Наличие или появление дефектов, что возможно на любой стадии жизни объектов, отрицательно сказывается на качестве и надежности.

В проблеме надежности можно выделить аспекты, определяемые принципами, методами и средствами обеспечения и поддержания тех или иных показателей надежности.

Совокупность принципов, методов и средств обнаружения (поиска) дефектов при их изготовлении или в эксплуатации называем организацией диагностического обеспечения, которое составляет основу диагностического аспекта надежности. В рамках диагностического аспекта решаются задачи определения технического состояния объекта (исправен, работоспособен) и поиска дефекта, как при производстве, так и в эксплуатации.

Неполнота обнаружения дефектов при проверке исправности (после изготовления или ремонта) или при проверке работоспособности (при профилактике) эквивалентна фактическому снижению показателей безотказности (в частности, вероятности безотказной работы), долговечности (ресурса) и сохраняемости объекта.

Главным показателем качества системы диагностирования являются гарантируемые полнота обнаружения и глубина поиска дефектов. К числу "вторичных" показателен качества систем диагностирования можно отнести затраты на аппаратуру, время, энергию, а также показатели надежности средств диагностирования, в том числе достоверность диагноза.

Виды диагностики электрооборудования

1) диагностика изоляции;

2)диагностика контактных соединений;

3)диагностика силовых трансформаторов и реакторов;

4)диагностика высоковольтных выключателей.

1.2 Диагностика изоляции силового трансформатора

Изоляцию высоковольтного оборудования испытывают после изготовления и в эксплуатации. Основная задача приемо-сдаточных испытаний - определение соответствия изделия требованиям нормативно-технической документации. Испытания при капитальных и текущих ремонтах, а также в период между ремонтами проводятся с целью оценки состояния изоляции и выявления дефектов.

При испытаниях во время эксплуатации, проводимых с помощью передвижных установок, может быть получен ограниченный объем информации. Наиболее предпочтительны методы контроля оборудования под рабочим напряжениям без вывода его из эксплуатации, что обеспечивает повышение эффективности технического диагностирования. Контроль под напряжением можно автоматизировать, при этом применяют два варианта диагностирования раннюю диагностику и сигнализацию предельных состояний.

В эксплуатации происходит старение диэлектрика (постепенное ухудшение или полная потеря изоляционных свойств), которое вызывается процессами, связанными с химическими, тепловыми, механическими и электрическими воздействиями. Следует отмстить, что ни процессы действуют одновременно и могу быть взаимосвязанными.

К химическим процессам ухудшения изоляционных материалов относится окисление и реакции с агрессивными компонентами окружающей среды.

При нагреве вследствие внешних причин и диэлектрических потерь ухудшение свойств изоляции сопровождается распадом вещества, появлением хрупкости, снижением электрической прочности.

К основным явлениям старения относятся физические и химические изменения органических изоляционных материалов, вызванные частичными разрядами (ЧР).

Механические воздействия, вызывая нарушение целостности материала (разрывы, расслоения), также снижают электрическую прочность изоляционной конструкции.

Изоляционное масло является и теплоотводящей и изолирующей средой. При старении масло окисляется, что приводит к образованию органических кислот, растворимых в масле, и осадков. Увлажнение снижает электрическую прочность масла, термические воздействия приводят к крекингу.

Старение масла снижает надежность изоляционной конструкции, так как повышенная кислотность способствует старению твердой изоляции, а осаждение шлама увеличивает диэлектрические потери и ухудшает отвод тепла. Влага в масле, переходя в твердый диэлектрик, усиливает в нем процессы разрушения. Наличие в масле пузырьков газа способствует развитию ЧР.

В результате воздействия всех перечисленных факторов происходит изменение структуры диэлектриков, их свойств, появляются внутренние дефекты и продукты разложения.

Прямые методы определения интенсивности названных процессов, пригодные для эксплуатационных условий, отсутствуют. Применяются косвенные методы контроля, и для этого используются параметры изоляции, значении которых определяются процессами, происходящими и диэлектриках (поляризация, адсорбция, проводимость,). К таким параметрам относятся комплексная проводимость изоляции, диэлектрические потери, емкость, интенсивность ЧР. Для диагностирования используются также зависимости этих параметров от температуры, приложенного напряжения и времени.

В таблице 1 приведены воздействующие факторы и реакция изоляции на них. Для более полного диагностирования целесообразно использовать все возможные методы. Следует указать, что совпадение результатов, полученных разными методами, позволяет более уверенно идентифицировать дефект.

Браковочным критерием служит совокупность значений диагностических параметров и других признаков, достаточных для оценки состояния контролируемого объекта и классификации его дефектов. Конечной целью такой классификации является прогнозирование работоспособности оборудования.

За браковочный критерий принимается отклонение значений контролируемых параметров за установленные критерии. При этом необходимо учитывать, что одни и те же изменения параметра могут быть вызваны различными дефектами, при развитии которых опасность отказа объекта неодинакова.

Таблица 1 - Изменение характеристик изоляции в зависимости от воздействующих факторов

1.3 Трансформаторное масло - инструмент оценки состояния трансформатора

Трансформаторное масло представляет собой смесь достаточно сложных органических соединений различных классов. В процессе эксплуатации под воздействием таких факторов, как электрические и магнитные поля, влажность и температура как внутри, так и вне высоковольтного маслонаполненного электрооборудования, происходит разложение исходно содержащихся в трансформаторном масле органических соединений. Помимо того, в масло переходят продукты деструкции твердой изоляции и других конструкционных материалов.

Образующиеся продукты разложения в свою очередь могут вступать

в новые взаимодействия друг с другом, следствием чего является появление более сложных соединений с относительно большей молекулярной массой. Кроме того, появляющиеся вторичные компоненты порой представляют значительную опасность, так как, вступая во взаимодействие с элементами конструкции оборудования, существенно ускоряют процесс его износа и даже являются причиной аварий. Этот процесс может происходить достаточно быстро и при отсутствии своевременного выявления приводит к выходу оборудования из строя.

Следовательно, своевременное обнаружение в трансформаторном масле тех или иных образующихся в процессе эксплуатации компонентов, несомненно, является важной задачей для надежной оценки состояния высоковольтного маслонаполненного оборудования.

Важным является также тот факт, что образующиеся соединения представляют собой все многообразие агрегатных состояний: газообразное, жидкое и твердое. Причем, в зависимости от условий эксплуатации они могут находиться в масле в виде раствора (газ в газе, газ в жидкости, жидкость в жидкости, твердое тело в жидкости), суспензии (твердое вещество в жидкости) или эмульсии (жидкость в жидкости), а также образовывать различные ассоциаты.

Таким образом, в процессе эксплуатации исходный состав трансформаторного масла еще более усложняется как с качественной (состав) и количественной (концентрации) точки зрения, так и по агрегатному состоянию.

Необходимость контроля за изменением состава масла в процессе эксплуатации поставила вопрос о выборе такого аналитического метода, который смог бы обеспечить надежное качественное (состав) и количественное (концентрации) определение содержащихся и образующихся в масле соединений. В наибольшей степени этим требованиям отвечает хроматография, которая в современном варианте представляет собой комплексный метод, объединивший стадию разделения сложных смесей на отдельные компоненты и стадию их количественно-качественного определения (детектирование).

На сегодня хроматография широко используется для анализа растворенных в трансформаторных маслах газов, воздуха, воды, фурановых соединений и ионола. Результаты таких анализов являются одним из важнейших параметров, по которым проводится оценка состояния маслонаполненного высоковольтного электрооборудования.

В настоящее время в эксплуатацию помимо традиционных испытаний все более широкое применение находят такие современные методы, как высокоэффективная жидкостная и газовая хроматография, определение фракционного состава механических примесей и характера загрязнений при помощи автоматических счетчиков частиц и устройств мембранной фильтрации, инфракрасная спектроскопия, определение электрической проводимости трансформаторных масел.

1.3.1 Методы определения фурановых производных в трансформаторном масле

Первичная оценка состояния трансформаторов основывается на анализах трансформаторного масла. Однако этот вид анализа не дает исчерпывающей информации о состоянии бумажной изоляции. Поэтому специалистами в течение длительного времени проводился поиск в трансформаторном масле соединений-индикаторов, характеризующих старение целлюлозной изоляции.

В результате этих исследований было установлено, что такими соединениями являются фурановые производные, образующиеся при старении бумажной изоляции, причем, как оказалось, концентрация фурфурола в масле хорошо коррелируется со степенью полимеризации бумаги.

Метод контроля состояния бумажной изоляции маслонаполненного оборудования по содержанию фурановых производных получил распространение за рубежом с середины 80-х годов и стал применяться дополнительно к анализу растворенных в масле газов. Как правило, для этой цели используются всевозможные хроматографические методы и метод фотометрии.

Наибольшее распространение за рубежом получил метод высоко эффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), отличительной особенностью которого является применение капиллярной микроколонки, обладающей большой разделительной способностью. В качестве подвижной фазы используются водные растворы метанола или ацетонитрила, а для обнаружения фурановых производных - ультрафиолетовый детектор.

Жидкостные хроматографы достаточно дорогие приборы и требуют значительно большей квалификации обслуживающего персонала по сравнению с газовыми хроматографами.

Разработаны несколько методик определения фурановых производных, позволяющих использовать уже имеющиеся в лабораториях энергосистем газовые хроматографы или фотоколориметры.

1.3.1.1 Метод определения четырех фурановых производных методом газожидкостной хроматографии

Методика определения фурановых производных методом газожидкостной хроматографии основана на предварительной экстракции фурановых соединений из масла, разделении их на хроматографической колонке с по следующим обнаружением пламенно-ионизационным детектором таких компонентов, как фурфурол (FAL), 2-ацетилфуран (ACF), 5-метилфурфурол (MEF) и фурфуриловый спирт (FOL).

Экстракция проводится в стеклянных медицинских шприцах на 20 мл при соотношении объемов масла и экстрагента 20:1, причем в этой методике, равно как и в других методиках определения фурановых производных, экстракция проводится как с целью отделения определяемых соединений от компонентов масла, так и с целью повышения чувствительности анализа.

Объем экстракта, дозируемый в хроматограф, составляет 1-2 мкл. Температура термостата колонок 170-180°С. Соотношения аргона, водорода и воздуха стандартные, 1: 1: 10. Градуировка хроматографа проводится по образцам масла с известным содержанием фурановых производных.

Предел обнаружения FAL, ACF и MEF в масле не превышает 0,1 мг/кг, в то время как предел обнаружения фурфурилового спирта составляет 0,03 мг/кг при соотношении сигнал/шум более 10:1.

Методика аттестована на государственном предприятии «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева». Относительная погрешность определения фурановых соединений в градуируемом диапазоне концентраций от 0,5 до 10 мг/кг не превышает 15%.

Несомненным преимуществом применяемой в этой методике хроматографической колонки является возможность ее использования не только для определения фурановых соединений, но и для определения антиокислительной присадки ионол.

1.3.1.2 Экспресс-методика визуального определения фурфурола в трансформаторных маслах

Экспресс-методика визуального полуколичественного определения фурфурола также основана на взаимодействии FAL с уксуснокислым анилином. Эта методика не требует никакого аппаратурного обеспечения, но в то же время позволяет определить не только наличие фурфурола в масле, но и интервал значений концентраций, в котором находится содержание этого соединения.

Она хорошо сочетается с любой количественной методикой определения фурановых производных - ВЭЖХ, ГЖХ или фотометрии. Это означает, что количественный анализ этих соединений в большинстве случаев следует проводить, если в масле обнаружен фурфурол, что значительно снижает трудозатраты на проведение этого анализа и способствует более длительной работе хроматографических колонок и приборов.

К настоящему времени в ВС Ленэнерго проанализировано более 450 проб трансформаторного масла на определение фурфурола. Следует отметить, что реальное содержание фурфурола в эксплуатационных маслах на много меньше того уровня, который регламентирован в последнем издании «Объема и Норм испытания электрооборудования». В большинстве случаев высокое содержание FAL (> 1 мг/кг) зарегистрировано в кислых маслах с относительно высоким содержанием С02.

В настоящее время без накопления достаточного опыта еще рано говорить о каких-либо надежных критериях оценки состояния бумажной изоляции по определению фурановых соединений. Тем не менее, если в практику эксплуатации не внедрять методики определения фурановых соединений, то этот метод контроля не сможет развиваться.

Следует отметить, что уже сейчас (до выработки надежных критериев отбраковки) только по факту обнаружения фурановых производных в масле можно установить, в какой очередности следует выводить оборудование в ремонт при прочих равных параметрах его отбраковки.

1.3.2 Определение фракционного состава механических примесей. Контроль класса промышленной чистоты

Электроизоляционные свойства трансформаторных масел в первую очередь определяются их чистотой. Так на пробивное напряжение трансформаторных масел отрицательное воздействие оказывает дисперсная вода и твердые частицы, обладающие электропроводящими свойствами.

Воздействие частиц в зависимости от их количества, размера и природы требует более глубоких исследований, что практически невозможно без применения современных систем и приборов контроля за степенью загрязнения. Определение содержания механических примесей в маслах может осуществляться весовыми методами по ГОСТ 6370-83 или РТМ 34.70.653-83, которые трудоемки, продолжительны по времени и не дают информации о размере и природе частиц. Для определения содержания загрязнений в маслах с учетом их количества и размеров, а также их характера используются автоматические счетчики частиц совместно с лабораторией мембранной фильтрации. При этом контролируется класс промышленной чистоты (КПЧ) по ГОСТ 17216-71 и (или) ISO

4406, который наиболее полно описывает дисперсную фазу в маслах. По заказу РАО ЕЭС России в 90-х годах были изготовлены и адаптированы для нужд энергетики приборы контроля промышленной чистоты энергетических масел.

Лабораторный прибор - АЗЖ-915, АЗЖ-975 (последний может работать в стандарте ГОСТ 17216 или ISO 4406), прибор встроенного контроля ПОТОК-945, ПОТОК-995.

Подтверждение соответствия функциональных показателей выше перечисленных анализаторов загрязнения жидкостей отраслевым требованиям и условиям эксплуатации было проведено фирмой "ОРГРЭС" в 1994 г. Также были проведены сравнительные испытания прибора АЗЖ—915 с результатами исследований гранулометрического состава методом мембранной фильтрации фирмы "PALL" на электрозаводе имени Куйбышева.

Расхождение результатов между двумя принципиально различными методами в основном составила не более 3%.

Определение количества загрязнений в маслах по классу промышленной чистоты по ГОСТ 17216-71 и (или) ISO 4406 является мощным диагностическим средством, позволяющим контролировать не только эффективность действия средств очистки, но и позволяющих выявлять наличие и развитие различных дефектов в энергетическом оборудовании. Данный метод значительно более информативен, достоверен, оперативен и прост в обслуживании по сравнению с применяемыми весовыми методами.

Как правило, трансформаторные масла содержат большое количество частиц менее 10 мкм, и они, обладая значительной подвижностью, способны дрейфовать и концентрироваться в областях повышенных напряженностей электрического поля. Это приводит к усилению неоднородности поля и последующему снижению надежности масляной изоляции. Частицы металлов, кроме ухудшения электроизоляционных свойств, усиливают каталитическое воздействие на термоокислительное старение масел.

Контроль класса промышленной чистоты позволяет осуществлять диагностику состояния бумажно-масляной изоляции электрооборудования непосредственно при их эксплуатации (для этих целей очень интересно определение количества целлюлозных волокон в масле).

"Техносервис-Электро" в своей практике контроля КПЧ совместно использует приборы серии АЗЖ, ПОТОК и лабораторию мембранной фильтрации фирмы "PALL".Совместное применение этих приборов позволяет определять не только количество, но и природу частиц, содержащихся в масле.

1.3.3 Контроль влажности

Важным источником ухудшения изоляционных свойств является содержащаяся в масле вода, которая может появляться в нем как при нарушении герметичности оборудования, так и при интенсивном процессе окисления изоляции, одной из причин которого является недостаточное содержание в масле антиокислительной присадки ионол. Задача по определению воздуха и воды в основном решается с использованием РД 34.43.107-95.

Вместе с тем, важным является тот факт, что вода, присутствующая в масле, может находиться в не только в растворенном, но и в связанном виде, а также в виде эмульсии. Присутствующая в связанном виде вода - это та вода, которая находится в масле в сольватированной форме. Между всеми тремя видами воды, которые определяют общее ее содержание в трансформаторном масле, существует динамическое равновесие. Это равновесие может смещаться в ту или иную сторону под действием различных факторов и, в первую очередь, температуры. Изменение температуры может приводить к изменению соотношения этих форм воды и, как следствие, к изменению изоляционных свойств трансформаторных масел.

Влагосодержание трансформаторных масел в России в основном контролируют по ГОСТ 7822-75 гидридкальциевым методом на приборе ПНВ. Однако наибольшее применение в мире получил метод кулонометрического титрования воды в реактиве Карла Фишера на автоматических приборах по стандарту МЭК 814.

Разработка методики оценки увлажненности трансформатора, не требующей его вскрытия, проведена в последние годы рядом фирм и университетов Германии и Швейцарии.

Метод анализа токов поляризации и деполяризации (РDС - Polarization/DepolarizationCurrents) как неразрушающий метод определения содержания влаги в твердой изоляции. При измерениях постоянное напряжение 100 В прикладывается к контролируемому объекту на время заряда, а затем происходит разряд на измеритель тока. Измерения проводятся анализатором PDC-Analyser-3205 (разработка компании "SiemensAG"). Для анализа используется модель изоляции трансформатора, учитывающая геометрические соотношения масла, барьеров и дистанционных реек. Электрическая модель соответствует схеме Максвелла - Вагнера, представляющей изоляцию как бесконечный ряд резистивно-емкостных цепочек с разной постоянной времени.

По мнению авторов метода, хорошее соответствие результатов PDC-анализа непосредственному определению влаги в изоляции по Карлу Фишеру и по измерениям точки росы, проведенным на заводе Siemens на многих трансформаторах разной мощности, конструкции и срока службы, позволяет считать PDC-анализ надежным методом определения увлажнения твердой изоляции. На основе результатов PDC-анализа эксплуатационный персонал может принимать решение о дальнейших действиях, в частности, о сушке активной части трансформатора на месте установки.

В настоящее время НПО "Техносервис-Электро" разработал и испытал отечественный анализатор влаги по методу МЭК 814 – это АКВА-901.

Определение воды в трансформаторных маслах по стандарту МЭК 814 включено в РД 34.43.107-95 и вошло в "ОНИЭ" 6 издание. Основные преимущества данного анализатора и метода заключаются в оперативности и простоте процедуры контроля.

Существующие методы анализа воды в масле, как правило, ограничиваются в основном суммарным определением растворенной и эмульгированной воды. Эти методы не дают возможности индивидуального определения связанной и общей воды. Из вышеизложенного вытекает необходимость разработки методики определения в масле не только растворенной и эмульгированной, но и связанной воды.

НПФ "ЭЛЕКТРА" была разработана газохроматографическая методика анализа воздуха и воды, растворенных в трансформаторных маслах, которая не только соответствует требованиям РД 34.43.107-95, но и позволяет определять совместно растворенную и эмульгированную воду, а также общее содержание в масле воды, включая связанную воду.

Эта методика основана на прямом вводе пробы масла в испаритель хроматографа при разных температурах испарителя. Температура испарителя выбирается в зависимости от конструкции каждого конкретного хроматографа. Проба масла (20-100 мкл), введенная в испаритель хроматографа, переходит в парообразное состояние и выделенные из нее воздух и вода разделяются на хроматографической колонке. После разделения воздух и вода переносятся газом-носителем (гелием) в детектор по теплопроводности (ДТП).

Для предотвращения попадания анализируемого масла в разделительную колонку и возможности поддержания высокой температуры в испарителе хроматографа перед основной разделительной колонкой устанавливается предколонка, заполненная диатомитовым носителем. Поскольку масло вводится в испаритель "напрямую", то через какое-то время необходимо проводить регенерацию системы для его удаления. В испаритель допустимо вводить суммарно до 0,6 мл масла, после чего проводится регенерация предколонки с целью удаления из нее масла. Эта операция выполняется в режиме обратной продувки газом носителем при повышенных температурах испарителя и детектора. Время регенерации составляет 3-4 часа.

Градуировка хроматографа по воздуху осуществляется специальным микродозатором, позволяющим вводить дозы воздуха от 0,5 до 20 мкл.

Устройство, обеспечивающее проведение градуировки хроматографа по воздуху и регенерации хроматографической системы после введения в нее масла "напрямую", разработано, выпускается и внедряется НПФ "ЭЛЕКТРА". Данное устройство является основным элементом установки для определения воздуха и воды в трансформаторных маслах.

1.3.4 Метод определения растворенного в масле ионола

Методика, позволяющая определять растворенный в масле ионол. В хроматограф вводится не непосредственно масло, а спиртовой экстракт из него. В этом случае отсутствует необходимость в защите разделительной колонки и детектора хроматографа с помощью предколонки.

Ионол извлекается из масла экстракцией. Время расслоения фаз после проведения экстракции составляет не более 2 часов. Анализ ведется на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором (ДИП) или с ДТП. В качестве газа-носителя можно использовать гелий, а также аргон или азот при работе с ДИП.

Градуировка хроматографа проводится по раствору ионола в спирте.

При градуировке рассчитывается поправочный коэффициент чувствительности по ионолу.

Разработанные методики активно используются в АО ВНИИЭ для оценки эксплуатационного состояния высоковольтного маслонаполненного электрооборудования по программам РАО "ЕЭС России".

Данные методики готовы к внедрению, как на хроматографах потребителей, так и с поставкой хроматографов, адаптированных к этим методикам.

1.3.5 Автоматизированная система измерения температурой зависимости тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла

Среди контролируемых показателей масла повышенное внимание уделяется измерению температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tgδ = f(T). Методика ее получения задается ГОСТ 6581-75 «Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний».

Предприятием ООО «Электродиагност» была выполнена разработка нескольких модификаций автоматической системы АСТ-1-1, АСТ-1-4, АСТ-1М для измерения зависимости tgδ = f(T).

Таблица 2 - Основные показатели приборов ИТП-4 и АСТ-1-1

Последняя цифра в обозначении АСТ соответствует количеству испытательных трехзажимных ячеек плоского типа, что позволяет в едином измерительном цикле производить испытания от одной (АСТ-1-1) до четырех (АСТ-1-4) проб ЖД. Последняя модификация АСТ-1М является полным аналогом АСТ-1-1, но изготовлена с использованием микропроцессорной техники.

Разработан также прибор ИТП-4 с ручным управлением при измерении зависимости tgδ = f(T).

Принцип работы АСТ-1-1 заключается в измерении фазового сдвига между сигналами синусоидальной формы, один из которых снимается с нижнего плеча резистивного делителя напряжения, а второй, с измерительного сопротивления, включённого последовательно испытательной ячейкой.

Оцифрованные осциллограммы сигналов с измерительных сопротивлений от испытательной ячейки поступают в компьютер, где для каждой ячейкивычисляется tgδ залитого в неё масла, температура которого уже измерена термодатчиком.

Рисунок 1 - Функциональная схема установки АСТ -1 - 1

Основными блоками АСТ-1-1 являются блок измерений, управляющий регистр и компьютер. В состав блока измерений входят источник высокого напряжения, трехэлектродная плоская ячейка и нагреватель.

Ячейка снабжена электронным термометром и тепловым экраном в виде полого цилиндра, выполненным из фторопласта. Первичный датчик электронного термометра жестко крепится на измерительном электроде ячейки.

Управление работой блока измерений производится с помощью компьютера и управляющего регистра, смонтированным на плате АЦП «Lab-master». Управляющий регистр, согласно командам с компьютера, производит включение/выключение высоковольтного трансформатора и/или нагревателя. Система управления позволяет выполнять измерения контролируемых параметров в режиме, близком к самописцу, например, производить измерения с интервалом несколько десятков секунд. Можно запрограммировать АСТ-1-1 на измерение только нескольких контрольных значений tgδ, температуры или времени; включать высокое напряжение на момент измерения tgδ при включенном выключенном нагревателе; отключать нагреватель при достижении заданной температуры.

Отключается установка также автоматически, по заданному значению одного из контролируемых параметров с включением звуковой сигнализации для оповещения оператора об окончании испытания.

Калибровка системы производится на незаполненной маслом испытательной ячейке в полуавтоматическом режиме перед испытаниями каждой пробы масла. Измеренное значение tgδ, как среднее из полученных на 100 периодах испытательного напряжения, заносится в соответствующий раздел программы и используется при обработке результатов измерений.

Программа обработки результатов измерений переводит табличные данные в формат Exсel, с последующим построением в графическом виде зависимости tgδ = f (Т).

Установка АСТ-1М состоит из двух блоков: высоковольтного и измерительного. В ней результаты измерений tgδ и значений температуры выводятся на дисплей, смонтированный на лицевой панели измерительного блока.

Измерения температурной зависимости диэлектрических потерь жидкого диэлектрика с помощью прибора ИТП-4 производится с ручным управлением и считыванием результатов измерений прибора. После включения нагревателя и установки переключателя в положение «контроль температуры» оператор по ЖКИ производит наблюдение за измерением температуры жидкого диэлектрика. При достижении заданной температуры оператор переводит переключатель в положение «контроль tgδ» и заносит в журнал показания измеренное значение.

1.4 Основы измерения характеристик частичных разрядов в силовых трансформаторах

Возникновение и развитие практически всех дефектов в изоляции мощных силовых трансформаторов высших классов напряжения сопровождается развитием частичных разрядов (Ч.Р.). Поэтому измерение и анализ характеристик частичных разрядов является эффективной и информативной методикой для определения состояния силовых трансформаторов, позволяющей не только выявить наличие дефекта, но и идентифицировать его тип, степень развития, определить место развития этого дефекта. Однако до настоящего времени эта методика является скорее искусством, нежели инженерной практикой, что связано с большим количеством проблем, сопутствующих измерению и анализу характеристик частичных разрядов.

Одной из основных проблем при измерении характеристик частичных разрядов в полевых условиях на действующем электрооборудовании является наличие различного рода помех в виде электрических сигналов, имеющих те же, что и частичных разрядов частотные характеристики. Для решения этой проблемы используют обычно два основных подхода. Первый из них – аппаратный основывается на попытках разработки измерительной аппаратуры, позволяющей разделить сигналы частичных разрядов и помех с использованием самых различных принципов. Второй аналитический основывается на отыскании характеристик, позволяющих при одновременном измерении сигналов частичных разрядов и помех выявить наличие и характеристики дефекта, развивающегося во внутренней изоляции трансформаторов. Несмотря на определенные достижения, полученные при реализации аппаратного подхода, он представляется менее плодотворным, поскольку сигналы, возникающие при коронном разряде, поверхностных разрядах, во внешней изоляции весьма слабо отличаются от частичных разрядов во внутренней изоляции, и, следовательно, устройства, подавляющие эти помехи могут одновременно искажать характеристики частичных разрядов, развивающихся внутри трансформатора.

Реализация аналитического подхода дает наилучшие результаты при использовании двух характеристик: амплитудных спектров частичных разрядов и "образов частичных разрядов " (от англ. "PD shape").

Амплитудные спектры частичных разрядов представляют собой зависимость интенсивности частичных разрядов от величины кажущегося заряда. В зависимости от метода их измерения различают интегральные, если строится интенсивность частичных разрядов, превышающих заданный уровень кажущегося заряда, и дифференциальные, если строится интенсивность в заданном диапазоне уровней, спектры частичных разрядов. Очевидно, что различные формы спектров легко пересчитываются друг в друга. Для выявления дефектов более удобной является дифференциальная форма, а для измерения чаще используется интегральная форма.

Основные типы дефектов в изоляции трансформаторов, такие как разряд в масляном клине, пробой первого масляного канала, скользящий разряд по поверхности твердой изоляции, ползущий разряд, изменяют вид амплитудных спектров характерным образом, что позволяет с высокой степенью вероятности идентифицировать тип дефекта по виду амплитудного спектра частичных разрядов. Удобство использования амплитудных спектров состоит в простоте интерпретации получаемых результатов и возможности достаточно просто формализовать алгоритмы идентификации дефектов.

Образы частичных разрядов получаются с использованием измерительной аппаратуры, обеспечивающей возможность фазовой селекции сигналов частичных разрядов. В этом случае измерительная информация строится в осях "величина кажущегося заряда" – "время". Для удобства на график наносится синхронизирующее напряжение в виде одного периода. Каждый частичный разряд наносится в виде точки в момент его появления с соответствующей амплитудой кажущегося заряда.

При измерении в течение определенного времени точки накапливаются, образуя характерный рисунок, который и называется образом частичных разрядов Примеры таких образов показаны на рисунке 3 для случаев развития их в газовой поре и с временной задержкой

Рисунок 2 - Характерный вид амплитудных спектров частичных разрядов в процессе развития ползущего разряда: А-5 мин, В-30 мин, С-55мин

а)

б)

Рисунок 3 - Примеры образов частичных разрядов

а) для газовой поры у электрода;

б) в толще диэлектрика

Синтетический подход, позволяющий одновременно получать и амплитудные спектры и образы частичных разрядов реализованы в переносном комплексе диагностики силовых трансформаторов СКИТ. Общий вид интерфейса, реализованный в данном измерителе, показан на рисунке 4.

Рисунок 4 - Общий вид интерфейса измерителя частичных разрядов диагностического комплекса СКИТ

Аппаратура построена таким образом, что амплитудные спектры ч.р. снимаются в течение каждых 18 фазовых градусов (каждую миллисекунду), и на рисунке строятся 20 амплитудных спектров в соответствующих фазах. Достоинство такого представления состоит в наглядности картины развития частичных разрядов. Очевидно, что получаемые данные легко могут быть представлены как в виде общего амплитудного спектра за все время измерения, так и в виде соответствующих образов частичных разрядов.

Важным с точки зрения требований к измерительной аппаратуре является вопрос о необходимом времени измерения и возможности пауз в процессе измерений. Анализ динамики развития частичных разрядов в трансформаторной изоляции показал, что практически все виды дефектов развиваются не монотонно. В момент появления дефекта, а также во время их интенсивного развития величина кажущегося заряда частичных разрядов и/или их интенсивность заметно увеличиваются, а затем происходит замедление развития дефекта с соответствующим снижением характеристик частичных разрядов.

Однако последние полностью не прекращаются, а формируют определенный спектр, характерный для медленного развития данного дефекта. Если имеются данные о виде спектров (или образов частичных разрядов ) при медленном развитии дефектов, можно выявить их наличие и степень развития при сравнительно кратковременных измерениях с помощью достаточно простой измерительной аппаратуры.

Весьма полезными с точки зрения выявления развивающихся дефектов

являются акустические методы измерения частичных разрядов. Сопоставление достоинств и недостатков электрического и акустического методов показывают их взаимную противоположность, а именно – электрический метод позволяет измерять абсолютные значения кажущегося заряда с достаточной точностью, но имеет низкую помехозащищенность, акустический же метод наоборот имеет высокую помехозащищенность, но не позволяет получать абсолютные значения кажущегося заряда. Поэтому одновременное использование обоих методов дает хорошие результаты. В этом случае использование метода фазовой селекции затруднительно, так как сигнал на акустический датчик приходит с большой задержкой по сравнению с электрическим сигналом, но можно использовать амплитудные спектры частичных разрядов.

1.5 Диагностика механического состояния обмоток силовых трансформаторов методом частотного анализа

Недостаточная электродинамическая стойкость обмоток трансформатора при протекании токов короткого замыкания, приводящая к механическим деформациям обмоток, является одной из основных причин аварийного выхода трансформатора из строя. Эта проблема усугубляется значительным увеличением доли изношенного электрооборудования, нормируемый срок службы которого уже истек или приближается к этому.

В настоящее время в России для диагностики механического состояния моток силовых трансформаторов в основном применяются два метода: метод измерения сопротивления короткого замыкания и более чувствительный метод - метод низковольтных импульсов (НВИ). За рубежом широкое распространение получил метод частотного анализа (МЧА). Достоинством МЧА является хорошая воспроизводимость измерений, обусловленная меньшей чувствительностью к некоторым изменениям параметров генератора сигналов, влиянию кабелей, соединителей и тому подобное.

Известны два подхода при диагностике обмоток трансформатора методом частотного анализа. Суть первого подхода заключается в том, что от свип-генератора на ввод обмотки подается синусоидальный сигнал с изменяющейся частотой от десятков герц до нескольких мегагерц, а с измерительных шунтов, подключенных к этой или другим обмоткам, осциллографируются их реакции на воздействие этого сигнала - амплитудно-частотные характеристики A(F), то есть спектры частот.

При другом подходе на ввод обмотки подается стандартный импульс определенной длительности, а сигнал с измерительных шунтов подается на вход спектроанализатора. Поскольку этот подход требует дорогостоящего оборудования и связан с более сложной и длительной процедурой диагностики, при разработке новой методики диагностики в ВЭИ за основу был выбран первый подход, в результате чего была разработана и изготовлена диагностическая установка "Импульс-8С".

Программное обеспечение, разработанное для Windows и содержит 3 функциональных блока:

1) Блок управления съемом обеспечивает формирование базы данных, тестирование измерительной схемы, управление съемом (установку параметров измерений, выбор каналов измерений, переключение каналов).

2) Блок предварительной обработки и визуализации результатов измерений обеспечивает фильтрацию от помех, статистическую обработку сигналов, запись сигналов в базу данных, вывод результатов измерений – амплитудно-частотных характеристик объекта на экран монитора.

3) Блок анализа результатов диагностики обеспечивает сравнение осциллограмм текущих измерений (дефектограмм) с осциллограммами предшествующих измерений по ряду критериев.

Рисунок 5 - Диагностическая установка "Импульс-8С" для дефектографирования обмоток трансформаторов методом частотного анализа

Основными критериями оценки механического состояния обмоток трансформатора методом МЧА были приняты следующие:

1) коэффициент парной корреляции (Кр )

- характеризует степень отклонения связи от линейной между двумя массивами данных, описывающих два процесса, например, нормограмму и дефектограмму. Так, если две осциллограммы полностью совпадают; то Кр=1; чем больше отличие между двумя спектрами, тем меньше Кр;

2) разность осциллограмм (V, %)

-характеризует разность между нормограммой и дефектограммой во всем диапазоне их изменения во времени, выраженную в процентах (отнесенную к нормограмме) или в вольтах;

3) парная корреляционная функция Кр (f)

- показывает, в каком именно диапазоне частот появились значительные изменения;

4) весовой коэффициент К (в)

– интегральный параметр, показывающий степень различия нормограммы от дефектограммы;

5) сдвиг частот (f)

– характеризует величину смещения пиков основных частот (гармоник) нормограммы и дефектограммы.

Процедура диагностики производится следующим образом: После запуска программы и выбора из предложенного меню команды "Старт" плата блока управления формирует сигнал на запуск генератора качающейся частоты и аналого-цифрового преобразователя. С выхода генератора сигнал с начальной частотой Fo проходит по измерительному кабелю, согласующий блок, установленный на крышке бака трансформатора, соединитель, подключенный к вводу трансформатора с помощью зажима “крокодил”, и поступает на трансформатор (в зависимости от выбранной схемы дефектографирования - или на ввод нейтрале, или на закоротку обмоток одного напряжения). Параллельно основному выходу с контрольного выхода усилителя мощности генератора сигнал поступает на вход платы БУК и далее на АЦП - для контроля.

Рисунок 6 - Алгоритм оценки механического состояния обмоток по результатам обмеров

Реакции обмоток (отклики) на воздействие синусоидального сигнала с

вводов трех фаз через соединители, согласующий блок и измерительный кабель поступают на вход БУК. Блок коммутации каналов последовательно подключает к АЦП 1-й, 2-й и 3-й каналы от трансформатора и 4-й – контрольный сигнал от генератора. АЦП по очереди записывает эти сигналы (осциллограммы) сначала в свой буфер, а затем передает их в ПК для последующей обработки и анализа. Далее частота генератора увеличивается на величину F и процесс повторяется до тех пор, пока частота синусоидального сигнала не достигнет конечного значения Fk. Результатом измерений в пределах одного цикла являются спектральные характеристики диагностируемых обмоток трех фаз трансформатора, которые записываются в базу данных.

Рисунок 7 - Принципиальная схема диагностики обмоток методом частотного анализа

В качестве примеров на рисунке 8 представлены спектры частот, полученные на специальной модели обмотки с помощью установки "Импульс-8С",

для двух смоделированных видов повреждений: деформации обмотки в осевом направлении (Рисунок 8.а) и в радиальном направлении (Рисунок 8.б).

а)

б)

Рисунок 8 - Спектры частот модели обмотки трансформатора

Результаты измерений подтвердили высокую чувствительность метода

частотного анализа к обнаружению механических и электрических повреждений обмоток. Однако для практического применения разработанной методики необходимо иметь критерии оценки состояния обмоток по результатам диагностики. В настоящее время эта задача успешно решается благодаря наличию объемной базы данных, содержащей результаты обмеров сотен трансформаторов, полученных на основе использования метода низковольтных импульсов. Целью является адаптация этих данных для метода частотного анализа.

1.6 Вибрационное обследование и диагностика состояния силовых трансформаторов

1.6.1 Цель проведения вибрационной диагностики силовых трансформаторов

Вибрационное обследование силовых маслонаполненных трансформаторов является достаточно эффективным способом оценки некоторых аспектов их технического состояния. В процессе вибрационного обследования производится, в основном, определение качества взаимного крепления внутренних и внешних элементов трансформатора, определяется целостность конструкции, диагностируется состояние механизмов системы охлаждения.

Достоинством вибрационных методов диагностики технического состояния силовых трансформатора является возможность проведения с их помощью «виброналадки» узлов и элементов трансформаторов. Под этим термином понимается возможность улучшения некоторых вибрационных параметров работы трансформатора.

Важным достоинством применения вибрационных диагностических методов является возможность проведения технической оценки качества прессовки обмоток и магнитопровода трансформатора.

Вибрационное обследование силовых маслонаполненных трансформаторов должно проводится с использованием современных виброизмерительных приборов - переносных малогабаритных виброметров и виброанализаторов.

Виброметры, самые простые виброизмерительные приборы, предназначены для измерения интегральных параметров вибрации, таких как, например, СКЗ (среднеквадратичное значение) виброскорости или размах виброперемещения (двойная амплитуда вибрации).

Виброанализаторы не только измеряют интегральные параметры вибрации, но и позволяют разлагать контролируемый вибрационный сигнал на отдельные гармонические составляющие, хранить эти параметры во встроенной памяти прибора.

Приборы виброконтроля выпускают многие фирмы в России и за рубежом, выбор этих приборов достаточно велик.

1.6.2 Определение параметров прессовки обмоток и магнитопровода по вибрации на поверхности бака трансформатора

Количественные значения остаточной прессовки обмоток и магнитопровода являются важными эксплуатационными параметрами. Наибольшее значение, при оценке технического состояния силового трансформатора, следует уделять качеству прессовки обмоток. Этот параметр определяет динамическую механическую устойчивость обмотки, особенно в переходных режимах, например, при протекании через трансформатор токов короткого замыкания (от нагрузки). Ослабление прессовки обмотки может привести к необратимому взаимному смещению отдельных витков и даже слоев обмотки. Итогом таких изменений может явиться снижение изоляционной прочности и выход трансформатора из строя.

Определение качества прессовки обмоток и магнитопровода может быть выполнено на основании анализа спектрального состава вибрационных сигналов на поверхности бака трансформатора работающего трансформатора. Полностью этот метод реализован в экспертной системе «Веста». В методе отработаны точки проведения измерений, определены уставки виброизмерительной аппаратуры, режимы контроля.

Метод базируется на измерении вибрации в 12 точках на поверхности бака трансформатора. Измерения вибрации проводятся в двух режимах холостого хода и нагрузки. Все вибрации в режиме холостого хода вызываются магнитострикцией в магнитопроводе. Вибрации в обмотках существенно ниже, так как ток в режиме холостого хода трансформатора мал. В режиме нагрузки вибрации вызываются сердечником и обмотками, ток в которых уже весьма значителен.

Анализ вибрационных сигналов производится на основании сравнения спектров. Основной частотой в трансформаторах является 100 Гц. Именно на этой частоте, равной удвоенной частоте питающей сети, действуют силы магнитострикции в сердечнике и электродинамические усилия в обмотках.

Состояние прессовки магнитопровода определяются по вибрациям в режиме холостого хода. Совместный анализ вибрации в режимах холостого хода и нагрузки позволяет разделить вибрационные процессы в различных элементах трансформатора.

Для удобства проведения диагностики трансформаторов, у которых трудно организовать измерение в двух режимах, в системе «Веста» предусмотрена диагностика по одному режиму. Магнитопровод наиболее точно диагностируется по режиму холостого хода, а обмотка по режиму нагрузки. Соответственно, по режиму, близкому к холостому ходу прессовка обмоток диагностируется с большой погрешностью, а в режиме нагрузки трудно диагностировать прессовку магнитопровода. Это является следствием проведения диагностики качества прессовки по одному режиму работы трансформатора.

1.6.3 Уточнение диагноза «распрессовка обмотки» проведением измерений вибрации при изменении температуры трансформатора

Основный «активные» материалы силового трансформатора, медь обмоток и сталь магнитопровода имеют различный температурный коэффициент линейного расширения. Обмотка, с ростом рабочей температуры, увеличивает свои линейные размеры более значительно, чем магнитопровод трансформатора При этом усилие прессовки обмотки возрастает, так как обмотка «распирается» в своих элементах крепления, смонтированных на магнитопроводе. При снижении рабочей температуры обмотка «уменьшается» в своих размерах быстрее, чем магнитопровод, поэтому усилие прессовки обмотки уменьшается. Расчетное значение этого эффекта составляет единицы миллиметров.

Знание этой особенности внутренних процессов в трансформаторе, связанной с изменением рабочей температуры, позволяет проводить дополнительные исследования, которые могут существенно уточнить диагноз «распрессовка обмотки», получаемый при помощи экспертной системы «Веста».

Очень упрощенно, не вникая в суть физических процессов и в особенности конструкции реальных типов трансформаторов, можно считать, что увеличение рабочей температуры трансформатора (охлаждающего масла) на один градус приводит к увеличению усилия прессовки обмотки на один процент (от номинального значения). Такое количественное соотношение произвольно выбрано для удобства проведения расчетов, хотя и достаточно хорошо согласуется с реальными практически данными.

Такой подход к физическим процессам в трансформаторе предполагает следующий план проведения экспериментальных работ, имеющих своей целью более корректное выявление распрессовки обмоток силового маслонаполненного трансформатора.

На трансформаторе проводятся измерения вибрации по методике, предусмотренной в экспертной системе «Веста». Они включают в себя измерения в режимах холостого хода и нагрузки. Эти измерения делаются за такой период времени, когда температура трансформатора (охлаждающего масла), примерно одинакова, т.е. достаточно быстро. Желательно, чтобы температура трансформатора была не очень большой.

Под этим термином понимается нижний уровень рабочей температурытрансформатора, больше соответствующей небольшой нагрузке или, идеально, холостому ходу.

Если в заключении системы «Веста» будет информация, что имеет место распрессовка обмоток среднего или сильного уровня, то необходимо планировать проведение следующего этапа работ. Трансформатор разогревается до максимально допустимой температуры, например, за счет отключения системы охлаждения. В режиме повышенной температуры трансформатор должен быть выдержан не менее двух - трех часов, в течение которых должно произойти выравнивание температурных полей в обмотках и магнитопроводе. Далее производится измерение вибраций на поверхности бака в режиме нагрузки примерно равной нагрузке при первом измерении вибрации, при меньшей температуре.

Если сравнить два диагноза, получаемых при помощи системы «Веста» по одному замеру (нагрузки) при двух различных температурах охлаждающего масла, но одинаковой нагрузке трансформатора, то можно существенно уточнить диагноз «распрессовка обмотки».

Если с ростом рабочей температуры трансформатора расчетный коэффициент, характеризующий усилие прессовки обмотки, будет возрастать, то это будет говорить о подтверждении предварительного диагноза «распрессовка обмотки». Условно можно говорить, что коэффициент качества прессовки обмоток, которым оперирует экспертная система «Веста» в своих отчетах, должен увеличиваться на 0,01 при увеличении рабочей температуры трансформатора (охлаждающего масла) на каждые пять градусов.

Если такая связь температуры и качества прессовки обмоток будет экспериментально выявлена, то диагностическое включение «распрессовка обмотки» можно считать дополнительно подтвержденным испытаниями, выполненными при различных рабочих температурах трансформатора.

Если такой связи между рабочей температурой трансформатора и коэффициентом качества прессовки обмоток не будет выявлено, то, вероятнее всего, диагноз был поставлен экспертной системой не совсем корректно. На получаемое программой заключение повлияли особенности внутренней конструкции контролируемого трансформатора или иные факторы, не учтенные в программе. О недостоверности диагноза, в особенности, следует говорить тогда, когда по итогам диагностики с ростом температуры будет выявляться уменьшение степени прессовки обмоток трансформатора.

диагностика тепловизионный тяговый трансформатор exsys

2. Термографические методы диагностирования тяговых подстанций

2.1 Основные определения

Системы тягового электроснабжения (СТЭ) образуют значительное количество устройств, длительная эксплуатация которых без надлежащего диагностирования технического состояния может привести к выходу их из строя и значительному экономическому ущербу. Для реализации эффективного диагностирования устройств тягового электроснабжения необходимы методики контроля и современные технические средства.

Решение задач диагностирования электрооборудования тяговых подстанций (ТП) может быть выполнено на основе тепловизионных обследований (ТВО). Современные инфракрасные камеры имеют значительное оптическое разрешение, широкий диапазон измеряемых температур, не требуют охлаждения термочувствительного элемента жидким азотом. Эти приборы позволяют автоматически отсчитывать температуру в центре визирного перекрытия, выстраивать профиль температуры в режиме реального времени, вести непрерывную запись изображения на гибкий магнитный носитель. Вместе с приборами поставляются программные продукты, обеспечивающие эффективную компьютерную обработку получаемых термограмм.

Цель тепловизионного обследования – сократить объем, сроки и стоимость ремонтных работ, увеличить межремонтные сроки и повысить надежность работы СТЭ за счет выявления локальных дефектов. Применение тепловизионного диагностирования основано на том, что некоторые виды дефектов высоковольтного оборудования вызывают изменение температуры дефектных элементов и, как следствие, изменение интенсивности инфракрасного (ИК) излучения, которое может быть зарегистрировано тепловизионными приборами.

Инфракрасный контроль, осуществляемый с помощью высокочувствительных портативных тепловизоров, позволяет при минимальных финансовых затратах, в сжатые сроки, без вывода оборудования из работы проверять надежность контролируемого объекта, выявлять дефекты на ранней стадии их развития, сокращать затраты на техническое обслуживание за счет прогнозирования сроков и объема ремонтных работ.

Тепловизионное диагностирование позволяет решать актуальные практические задачи, такие как:

4) массовое обследование огромного объема электрооборудования одной бригадой из трех человек с одной тепловизионной камерой;

5) выявление значительного количества аппаратов, находящихся в предаварийном состоянии (дефектные контактные соединения, трансформаторы тока, конденсаторы связи, вентильные разрядники и ОПН);

6) выявление таких дефектов, которые не могут быть выявлены никакими другими методами, например, местный перегрев конструктивных элементов баков силовых трансформаторов, нагрев соединительных болтов в поддерживающих металлических конструкциях шинопроводов или перегрузки отдельных элементов вентильных разрядников 110 кВ и выше.

В системах тягового электроснабжения термография может применяться по всему циклу распределения и потребления электроэнергии: от тяговых подстанций до электрооборудования ЭПС. Термограмма быстро и четко укажет на возникшие неполадки задолго до того, как они превратятся в крупные эксплуатационные проблемы.

В настоящее время при проведении тепловизионного обследования ставят в основном задачи выявления участков локального теплового перегрева, обусловленного потенциальными дефектами, и при их обнаружении задачу считают выполненной. Это сужает рамки ТВО и не позволяет использовать инфракрасную технику в полной мере. Превратить ТВО в полноценный способ технического диагностирования можно на основе разработки математических методов и компьютерных технологий обработки результатов обследований.

2.2 Методы тепловизионного диагностирования силовых трансформаторов тяговых подстанций

Тепловизионные обследования относятся к методам теплового неразрушающего контроля. Они базируются на анализе температурных полей с помощью термограмм, получаемых на основе портативных инфракрасных камер - тепловизоров, рисунке 9. По результатам ТВО принимаются экспертные решения о состоянии оборудования.

Примечание - предприятие ВЧД-2 ВСЖД, ввод 10 кВ ТП 14, аварийный дефект, требующий немедленного устранения

Рисунок 9 - Пример инфракрасного диагностирования

а) – цифровая фотография, б) - термограмма

Технические возможности современных тепловизоров и практические задачи, решаемые с их помощью, многообразны [10, 11, 12]. Наиболее массовым объектом ТВО в электроустановках тяговых подстанций являются контактные соединения в открытых и закрытых распределительных устройствах, например, болтовые и спрессованные соединения, сварные швы, контакты разъединителей. С помощью тепловизионного диагностирования могут быть выявлены следующие повреждения силовых трансформаторов:

1) очаги возникновения магнитных полей рассеяния (Рисунок 10);

2) наличие застойных зон в баках за счет шлакообразования;

3) разбухания или смещения изоляции обмоток;

4) неисправности маслосистемы;

5) дефекты вводов и систем охлаждения (Рисунки 11, 12).

Примечание - Кружком отмечена наиболее нагретая часть

Рисунок 10 - Термограмма и фотография трансформатора ТП Култук ВСЖД

Примечание - дефект системы охлаждения

Рисунок 11- Термограмма и фотография трансформатора ТП Половина ВСЖД

Примечание - отсутствие циркуляции масла в радиаторах, помеченных овалом

Рисунок 12 - Термограмма и фотография трансформатора ТП Кижа ВСЖД

Система ТВО иллюстрируется схемой, показанной на рисунке 13, и включает в себя комплекс взаимосвязанных циклов, определяющих последовательность проведения операций и их информативность [10]. Регламент проведения ТВО включает в себя периодичность и объем измерений на контролируемом объекте (тяговой подстанции). Периодичность ТВО электрооборудования определяется с учетом опыта его эксплуатации, режима работы, внешних факторов и регламентируется нормами [13]. Тепловизионное обследование должно выполняться приборами инфракрасного контроля (ИКТ), обеспечивающими достаточную эффективность в определении дефекта на работающем оборудовании.

Выявление дефекта должно осуществляться на ранней стадии его развития, для чего прибор ИКТ должен обладать достаточной чувствительностью даже при воздействии ряда неблагоприятных факторов, которые могут наблюдаться в эксплуатации: влияние отрицательных температур, запыленности, электромагнитных полей и тому подобное.

При анализе результатов ТВО должна осуществляться оценка выявленного дефекта и прогнозирование возможностей его развития. Следует отметить, что для тяговых трансформаторов эффективность и информативность такой оценки оказывается особенно высокой, если она осуществляется на базе экспертной системы [14]. В этом случае от совместного использования всей доступной на текущий момент информации проявляется синергетический эффект от её анализа, что и позволяет получить максимальный результат.

После устранения выявленного дефекта необходимо провести повторное диагностирование для суждения о качестве выполненного ремонта.

База данных для ответственных объектов (трансформаторы, выключатели, разрядники) должна содержать результаты ТВО и необходимую техническую информацию о диагностируемом объекте:

1) срок службы и условия эксплуатации;

2)объемы и виды ремонтных работ;

3)результаты профилактических испытаний и измерений.

На основании рассмотрения всего комплекса имеющихся факторов можно объективно оценивать техническое состояние объекта.

Рисунок 13 - Система тепловизионного диагностирования электрооборудования тяговых подстанций

2.3 Факторы, влияющие на эффективность тепловизионного обследования

Инфракрасное излучение (ИИ) испускается всеми телами при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. Как и другое излучение, оно может поглощаться телами, помещенными на их пути, и превращаются в теплоту. ИИ является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных колебаний диапазон от 0.76 до 1000 мкм. Спектр излучения твердых тел характеризуется непрерывным распределением излучения по всему диапазону с единственным максимумом, положение которого зависит от температуры тела и определяется законом смещения Вина, согласно которому длина волны максимального излучения обратно пропорциональна абсолютной температуре

,

Где:

b – постоянная Вина, равная 0.2898 см∙град.

Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части: ближнюю, среднюю, дальнюю и очень далекую. Такое деление связано с особенностями прохождения инфракрасного излучения через атмосферу, которая в значительной степени ослабляет излучение определенных частей спектра за счет рассеяния и поглощения его молекулами водяного пара, углекислого газа и озона. Участки спектра ИИ, на которых инфракрасные лучи проходят через атмосферу с незначительным ослаблением, называют атмосферными окнами.

Важно заметить также, что земная атмосфера пропускает через атмосферные окна до 65 % солнечного излучения в инфракрасной области спектра. Исходя из расчетов спектральной плотности излучения реальных объектов при температуре, близкой к 300 кельвинам (27 °С), а, также учитывая пропускание атмосферы, установлено, что оптимальным является окно 8…13 мкм, что и используют при конструировании тепловизионных приборов. В этом окне для расстояний, с которых производится выявление дефектов высоковольтного оборудования, атмосфера практически не ослабляет интенсивности инфракрасного излучения. Начиная с 14 мкм, поглощение ИИ компонентами атмосферы становится настолько сильным, что в спектральном диапазоне 14…200 мкм атмосфера практически непрозрачна для инфракрасных лучей.

При оценке интенсивности инфракрасного излучения большое влияние на результаты оказывает угол между нормалями к поверхности излучения и осью оптической системы приемника. Чем больше этот угол, тем меньшая часть потока ИИ попадает на площадку приемника. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе точки расположения тепловизионных приборов, стараясь расположить оптическую ось приемника по возможности перпендикулярно излучающей поверхности.

Тепловизионное обследование желательно проводить при отсутствии солнца (в облачную погоду или ночью), при минимальном воздействии ветра и в период максимальных токовых нагрузок.

При проведении инфракрасного контроля должны учитываться следующие факторы [10]:

1) коэффициент излучения материала;

2)солнечная радиация;

3)скорость ветра;

4)расстояние до объекта;

5)значение токовой нагрузки;

6)тепловое отражение и тому подобное.

Рассмотренные свойства и особенности инфракрасного излучения определяют следующие методические рекомендации при выявлении дефектов высоковольтного оборудования:

1) измерение необходимо проводить при отсутствии прямого солнечного излучения, тумана или дождя;

2)необходимо учитывать коэффициент излучения поверхности обследуемого объекта, а также угол между осью тепловизионного приемника и нормалью к излучающей поверхности.

При проведении ТВО электрооборудования необходимо максимально устранять погрешности, оказывающие влияние на результаты измерения. Погрешности при проведении ТВО могут возникать от воздействия солнечной радиации, из-за неправильного выбора коэффициента излучательной способности и других факторов.

Солнечная радиация нагревает поверхность контролируемого объекта. При наличии участков с хорошей отражательной способностью создается впечатление о наличие высоких температур в местах измерения. Эти явления проявляются при использовании инфракрасных приборов со спектральным диапазоном 2…5 мкм. Для исключения влияния солнечной радиации рекомендуется осуществлять инфракрасный контроль в ночное время суток или в облачную погоду. Для того чтобы облегчить проведение инфракрасного контроля при безоблачном небе и при солнечном отражении можно использовать солнечный рефлекторный фильтр. Измерения в электроустановках при солнечной погоде рекомендуется производить для каждого объекта из нескольких диаметрально противоположных точек.

Если инфракрасный контроль осуществляется на открытом воздухе, необходимо принимать во внимание возможность охлаждения ветром контролируемого объекта. Превышение температуры, измеренное при скорости ветра пять метров в секунду, будет примерно в два раза ниже, чем при скорости ветра один метр в секунду. Температура токоведущего узла зависит от нагрузки и прямо пропорционально квадрату тока, проходящего через контролируемый участок.

Дождь, туман, мокрый снег в значительной степени охлаждают поверхность объекта и рассеивают инфракрасное излучение каплями воды. Инфракрасный контроль допускается проводить при небольшом снегопаде с сухим снегом или легком моросящем дожде.

При работе с инфракрасными приборами в электроустановках с большими рабочими токами, к которым относятся тяговые подстанции, приходится сталкиваться с проблемой защиты инфракрасного прибора от влияния магнитного поля. Последнее вызывает искажение картины теплового поля объекта на кинескопе тепловизора. При наличии магнитных полей при проведении инфракрасного контроля рекомендуется:

1) если многоамперные токоведущие шины находятся вблизи оператора с тепловизором необходимо выбрать место для измерения с минимальным влиянием магнитного поля;

2) использовать объектив с меньшим углом наблюдения, что позволит осуществлять ТВО с удаленного расстояния.

При ТВО электрооборудования, расположенного в закрытых распределительных устройствах (РУ) ТП, приходится сталкиваться с возможностью получения ошибочных результатов в результате теплового отражения от нагревательных элементов, ламп освещения, соседних фаз и других элементов. Этот фактор особенно сильно проявляется при ТВО объектов с малым коэффициентом излучения, обладающих хорошей отражательной способностью. В результате термограмма может показать горячую точку (пятно), хотя в действительности это просто тепловое отражение. Рекомендуется в подобных случаях производить инфракрасное обследование объекта под различными углами.

Существенное значение при ТВО играет расстояние до контролируемого объекта ввиду рассеяния и поглощения инфракрасного излучения в атмосфере за счет тумана, снега и других факторов. Особенно это влияние сказывается при использовании тепловизоров, работающих в спектральном диапазоне 3…5 мкм.

В тех случаях, когда контролируемый объект находится на значительном расстоянии или размеры его малы, может возникнуть ситуация, при которой в зону измерения попадает участок внешней среды (воздух и тому подобные факторы) с иной температурой. Температура внешней среды в этом случае может внести существенную погрешность в результаты. При необходимости осуществления контроля температуры контактных соединений, расположенных внутри комплектных ячеек распределительных устройств, имеющих смотровые застекленные проемы, следует учитывать, что большинство стекол не пропускает излучение с длинами волн более 2.7 мкм.

2.4 Методика ТВО электрооборудования

При ТВО используются следующие понятия:

- -превышение температуры, определяемое как разность между измеренной температурой нагрева и температурой окружающего воздуха;

- избыточная температура, определяемая как превышение измеренной температуры контролируемого узла над температурой аналогичных узлов других фаз, находящихся в одинаковых условиях;

- - коэффициент дефектности, представляющий собой отношение измеренного превышения температуры контактного соединения к превышению температуры, измеренному на целом участке шины (провода), отстоящем от контактного соединения на расстоянии не менее одного метра.

Оценка теплового состояния электрооборудования и токоведущих частей ТП в зависимости от условий их работы и конструкции может осуществляться:

1) по нормированным температурам нагрева (превышениям температуры);

2) по избыточной температуре;

3) по коэффициенту дефектности;

4) на основе анализа динамики изменения температуры во времени;

5) путем сравнения измеренных значений температуры в пределах фазы, между фазами, с заведомо исправными участками.

При оценке состояния контактов и болтовых контактных соединений по избыточной температуре и токе нагрузки 0,5I_ном различают следующие области по степени неисправности:

- = 5…10 ºС - начальная степень неисправности, которую следует держать под контролем и принимать меры по ее устранению во время проведения ремонта, запланированного по графику;

- =10…30 ºС - развившийся дефект, требующий принять меры по устранению неисправности при ближайшем выводе электрооборудования из работы;

- 30 ºС - аварийный дефект, требующий немедленного устранения.

Исходя из коэффициента дефектности, различают следующие степени неисправности:

1) 1.2 - начальная степень неисправности, которую следует держать под контролем;

2) 1.2…1.5- развившийся дефект, необходимо принять меры по устранению неисправности при ближайшем выводе электрооборудования из работы.

3) 1.5- аварийный дефект, требующий немедленного устранения.

Для тяговых подстанций критерий избыточной температуры имеет ограниченное применение, так как вследствие однофазной тяговой нагрузки наблюдается значительная несимметрия токов по фазам. Наиболее эффективным критерием при ТВО электрооборудования ТП является коэффициент дефектности. Дополнительный положительный фактор при применении состоит в том, что данный параметр теоретически не зависит от величины протекающего тока. Действительно, на основании соотношения [15] можно записать:

,

или

.

В публикациях, посвященных ТВО [16, 15, 17], отмечается интенсивное развитие метода, однако до настоящего времени методологическая база тепловизионных измерений электрооборудования проработана слабо, обмен технической информацией ограничен, задерживается выработка единых технических требований. Несмотря на большой объем экспериментальных данных, они не обобщены, что снижает эффективность обследований. Существующая нормативная документация ТВО не учитывает имеющийся опыт диагностирования. Кроме того, в настоящее время возрастает стоимость тепловизоров на фоне незначительного прироста их эффективности.

В настоящее время при ТВО электрооборудования используют пассивный тепловой контроль с регистрацией тепловых полей на поверхности объектов. Подобный подход сужает возможности развивающейся тепловизионной диагностики. Расширение круга задач связано с развитием методов активного теплового контроля на работающем оборудовании, например при его включении, выключении, коммутационных процессах и др. При этом тепловизионная техника становится незаменимым инструментом для анализа переходных тепловых процессов, распространения тепловых волн в действующем электрооборудовании.

Согласно ГОСТ 20911—89 техническое диагностирование предназначено для решения двух задач, первая из которых связана с установлением технического диагноза; вторая - направлена на прогнозирование технического состояния. В задачу установления диагноза входит:

1) поиск места неисправности;

2)определение причин отказа;

3)контроль технического состояния.

Технический диагноз является конечным результатом контроля технического состояния. Решение второй задачи обеспечивает определение с заданной вероятностью ресурса, в течение которого сохранится работоспособное состояние объекта.

Сложность определения причин отказа оборудования в большинстве случаев связана с тем, что практически не развиты диагностические модели, представляющие собой формализованное описание объекта, необходимое для решения задач диагностирования. В литературе приведено ограниченное число диагностических моделей, которые с различными приближениями описывают физические процессы в оборудовании.

Вторая задача технической диагностики, связанная с прогнозированием, до настоящего времени практически не решается. Возникающие при этом проблемы связаны, со следующими факторами [17]:

1) несовершенной системой тепловизионного контроля, в рамках которой ТВО проводят эпизодически, без накопления и анализа данных, не создают алгоритмы и технологии сбора и статистической обработки результатов ТВО, позволяющих приступить к решению проблемы прогноза;

2)недостаточным развитием диагностических моделей, позволяющих прогнозировать поведение сложного оборудования, его отдельных узлов, электроизоляционных материалов.

2.5 Тепловизионное обследование силовых трансформаторов

Тепловизионное обследование силовых трансформаторов, является вспомогательным методом диагностики, обеспечивающий наряду с традиционными методами (измерение изоляционных характеристик, тока холостого хода., хроматографического анализа состава газов в масле и др.) получение дополнительной информации о состоянии объекта.

При тепловизионной съёмке силовых трансформаторов проверяются:

1) вводы;

2) баки;

3) системы охлаждения (радиаторы, вентиляторы, маслонасосы);

4) термосифонные фильтры (ТСФ);

5) контактные соединения.

Опыт проведения инфракрасной диагностики силовых трансформаторов показал на возможность выявления с ее помощью следующих неисправностей:

а) возникновение магнитных полей рассеивания в трансформаторе за счет нарушения изоляции отдельных элементов магнитопровода (консоли, шпильки и тому подобное);

б) нарушение в работе систем охлаждения (вентиляторов, маслонасосов, циркуляции масла в радиаторах) и регенерации масла (термосифонных фильтров (ТСФ)) и оценка их эффективности;

в) изменение внутренней циркуляции масла в баке трансформатора (образование застойных зон) в результате шламообразования, конструктивных просчетов, разбухания или смещения изоляции обмоток (особенно у трансформаторов с большим сроком службы);

г) нагревы внутренних контактных соединений обмоток НН с выводами трансформатора;

д) витковое замыкание в обмотках встроенных трансформаторов тока;

е) ухудшение контактной системы некоторых исполнений РПН.

Возможности инфракрасной диагностики применительно к трансформаторам недостаточно изучены. Сложности заключаются в том, что, во-первых - тепловыделения при возникновении локальных дефектов в трансформаторе "заглушаются" естественными тепловыми потоками от обмоток и магнитопровода; во-вторых - работа охлаждающих устройств, способствующая ускоренной циркуляции масла, как бы сглаживает температуры, возникающие в месте дефекта.

При проведении анализа результатов инфракрасной диагностики необходимо учитывать конструкции трансформаторов, способ охлаждения обмоток и магнитопровода, условия и продолжительность эксплуатации, технологию изготовления и ряд других факторов.

Поскольку оценка внутреннего состояния трансформатора тепловизором осуществляется путем измерения значений температур на поверхности его бака, необходимо считаться с характером теплопередачи магнитопровода и обмоток. Кроме того, источниками тепла являются:

1) массивные металлические части трансформатора, в том числе бак, прессующие кольца, экраны, шпильки и тому подобное, в которых тепло выделяется за счет добавочных потерь от вихревых токов, наводимых полями рассеивания;

2) токоведущие части вводов, где тепло выделяется за счет потерь в токоведущей части и в переходном сопротивлении соединителя отвода обмотки;

3) контакты переключателей РПН.

Условия теплопередачи, характер распределения температур в трансформаторах различного конструктивного исполнения подробно освещены в технической литературе.

Отвод тепловых потерь от магнитопровода и обмоток к маслу и от последнего к системе охлаждения осуществляется путём конвекции. Зоны интенсивного движения масла имеются только у поверхностей бака трансформатора, где происходит теплообмен. Остальное масло в баке трансформатора находится в относительном покое и приходит в движение при изменении нагрузки или температуры охлаждающего воздуха.

В соответствии с пунктом номер 5.3.13 правил эксплуатации электроустановок температура верхних слоев масла при номинальной нагрузке должна быть не выше:

1) у трансформаторов и реакторов с охлаждением ДЦ - 75 °С;

2) с естественным масляным охлаждением М и охлаждением Д - 95 °С;

3) у трансформаторов с охлаждением Ц - 70 °С (на входе в маслоохладитель).

В трансформаторах с системами охлаждения М и Д разность между максимальной и минимальной температурами по высоте трансформатора составляет 20 - 35 °С. Перепад температур масла по высоте бака в трансформаторах с системами охлаждения ДЦ и Ц находится в пределах четыре – восемь градусов цельсия. Однако, несмотря на такое выравнивание температур масла по высоте бака, теплоотдача от обмоток всё же осуществляется путём естественной конвекции масла. Это означает, что температура катушек в верхней части обмоток будет значительно выше, чем в нижней.

Таким образом, если в трансформаторах с естественной циркуляцией масла температура верхних слоев масла и температура в верхних каналах обмотки примерно одинаковы, то в трансформаторах с принудительной циркуляцией масла в баке будет иметь место значительный перепад между температурой масла в верхних каналах обмоток и температурой верхних слоев масла в баке. Таким образом, в трансформаторах с естественной и принудительной циркуляцией масла наиболее нагретыми являются верхние катушки обмоток, изоляция которых стареет быстрее, чем нижних катушек.

При оценке нагрева масла в трансформаторах следует считаться с возможностью застоя верхних слоев масла и его повышенных нагревов, если расстояние между крышкой бака и патрубками радиаторов или охладителей велико (больше 200-300 мм). Так, при исполнении крышки "гробиком" температура масла под верхней частью крышки может превышать температуру масла на уровне верхних патрубков охладителей примерно на 10 °С.

Приведённые выше параметры температур для отдельных конструкций трансформаторов характерны для установившегося режима работы. При проведении инфракрасной диагностики трансформаторов необходимо считаться с тем, что постоянная времени обмоток относительно масла различных исполнений трансформаторов находится в пределах четыре – семь минут, а постоянные времени всего трансформатора - в пределах 1,5 - 4,5 часов. Установившийся тепловой режим трансформатора по обмоткам наступает через 20 - 30 минут, а по маслу через 10 - 20 часов.

С учётом рассмотренных выше температурных режимов работы трансформаторов, ниже сделана попытка определить условия оценки их состояния при проведении инфракрасной диагностики.

2.5.1 Определение местоположения дефектов в магнитопроводах трансформаторов

Как известно, состояние магнитопровода трансформаторов весьма эффективно оценивается по результатам хроматографического анализа состава газов в масле. По составу и содержанию газов в масле определяется вид дефекта.

При наличии повреждения в магнитопроводе трансформатора, обусловленного перегревом, основными при анализе растворённых в масле газов являются этилен (С2Н4) или ацетилен (С2Н2) при нагреве масла. Характерные газы: водород (Н2), метан (СН4) и этан (С2Не).

Образование указанных газов в масле может быть обусловлено:

1) нарушением изоляции стяжных шпилек, ярмовых балок, амортизаторов, прессующих колец,

2) местными нагревами от магнитных полей рассеяния в ярмовых балках, бандажах, прессующих кольцах,

3) неправильным заземлением магнитопровода и другое.

Инфракрасное обследование трансформаторов, являясь вспомогательным средством контроля, позволяет при наличии газообразования в трансформаторе оценить зону образования дефекта в магнитопроводе, а при наличии заводской технологической документации сузить место поиска дефекта.

Для получения более полных данных о характере развития дефекта целесообразно проводить инфракрасный контроль при холостом ходе трансформатора и дополнительно при двух-трёх ступенях нагрузки.

2.5.2 Определение внутренних дефектов обмоток

Выявление внутренних дефектов в трансформаторах путем измерения температуры на поверхности их баков является весьма трудоемкой операцией, зависит от многих факторов (конструкция обмоток, нагрузка, способ охлаждения, внешние климатические факторы, состояние поверхности трансформатора и тому подобное) и позволяет выявлять неисправности лишь на поздних стадиях их развития. В принципе инфракрасное обследование трансформаторов позволяет выявлять локальные и общие перегревы, связанные со следующими факторами:

1) Конструктивные просчеты;

Существенное влияние на распределение температуры по поверхности бака трансформатора оказывают меры конструктивного характера, использованные заводом-изготовителем по выравниванию потерь в обмотках трансформаторов. Неравномерность распределения этих потерь по обмотке может являться одной из причин возникновения местных перегревов, вызывающих ускоренное старение изоляции отдельных катушек или витков обмоток, а также возникновения локальных нагревов на стенках бака трансформатора. Неправильный выбор места подсоединения охладителей к баку трансформатора или в оценке эффективности охлаждающих устройств, могут привести как к образованию "застойных зон", так и к перегревам отдельных катушек или фаз обмоток.

2) Перегревы контактных соединений отводов обмоток;

3) Образование "застойных зон" масла, вызванного разбуханием бумажной изоляции витков, шламообразованием и другими причинами.

2.5.3 Определение работоспособности устройств системы охлаждения трансформатора

Снятие термограмм устройств системы охлаждения трансформаторов (дутьевые вентиляторы, маслонасосы, фильтры, радиаторы трансформаторов с естественной циркуляцией масла и тому подобное) позволяет оценить их работоспособность и при необходимости принять оперативные меры по устранению неполадок.

2.5.3.1 Маслонасосы

Температура нагрева на поверхности корпуса маслонасоса и трубопроводов работающего трансформатора будет практически одинакова. При появлении неисправности в маслонасосе (трения крыльчаток, витковое замыкание в обмотке электродвигателя и тому подобное) температура на поверхности корпуса маслонасоса должна повысится и будет превышать температуру на поверхности маслопровода.

2.5.3.2 Дутьевые вентиляторы

Оценка теплового состояния электродвигателей вентиляторов осуществляется сопоставлением измеренных температур нагрева. Причинами повышения нагрева электродвигателей могут быть:

- неисправность подшипников качения;

- неправильно выбранный угол атаки крыльчатки вентилятора;

- витковое замыкание в обмотке электродвигателя и тому подобное.

2.5.3.3 Термосифонные фильтры

При инфракрасном контроле можно судить о работоспособности термосифонных фильтров трансформаторов. Как известно, термосифонный фильтр предназначен для непрерывной регенерации масла в процессе работы трансформатора. Движение масла через фильтр с адсорбентом происходит под действием тех же сил, которые обеспечивают движение масла через охлаждающие радиаторы, то есть разностей плотности горячего и холодного масла. Термосифонный фильтр подсоединен параллельно трубам радиатора системы охлаждения и поэтому у работающего фильтра температуры на входе и выходе, если трансформатор нагружен, должны отличаться между собой. В налаженном фильтре будет иметь место плавное повышение температуры по его высоте.

При использовании мелкозернистого силикигеля, шламообразования в фильтре, случайном закрытии задвижки на трубопроводе фильтра, при работе трансформатора в режиме холостого хода, циркуляция масла в фильтре будет незначительна или отсутствовать вообще. В этих случаях температура на входе и выходе фильтра будет практически одинакова.

2.5.3.4 Переключающие устройства

Переключающие устройства серии РНТ и им подобные, встраиваемые в трансформаторы, состоят из переключателя и реактора, расположенных в баке трансформатора, а также контактора. Контактор переключающего устройства размещается в отдельном кожухе, расположенном на стенке баке трансформатора и залитом маслом. Контроль состояния контактов переключателя, ввиду его глубинного расположения в баке трансформатора весьма проблематичен. При перегреве контактов контактора, ввиду небольшого объема, залитого в него масла, на стенках бака контактора будут иметь место локальные нагревы.

2.5.3.5 Радиаторы

Неисправность плоского крана радиатора или ошибочное его закрытие приведет к перекрытию протока масла через радиатор. В этом случае температура труб радиаторов будет существенно ниже, нежели у работающего радиатора. С течением времени, в эксплуатации, поверхности труб радиаторов подвергаются воздействию ржавчины, на них оседают продукты разложения масла и бумаги, что порой приводит к уменьшению сечения для протока масла или полного его прекращения. Трубы с подобными отклонениями будут "холоднее" остальных.

Примечание - Не работает крайний радиатор 1Т

Рисунок 14 - Термограмма и фотография силового трансформатора (ЭЧЭ-1)

2.5.3.6 Датчик температуры

Практически единственным критерием оценки эффективности работы системы охлаждения является температура верхних слоев масла трансформатора, измеряемая с помощью термометров, либо термометрическим сигнализатором с электроконтактным манометром, либо дистанционным термометром сопротивления, устанавливаемых в карманах (гильзах) крышки бака. Контроль температуры масла в этих случаях может быть связан с существенными погрешностями, которые обусловлены как инструментальной точностью измерения, местом размещения гильзы и другими факторами. Поэтому при термографическом обследовании трансформатора необходимо также сравнивать значения температур на крышке бака измеренные тепловизором с данными датчика температуры.

2.5.3.7 Поверхность бака трансформатора

Снятие температурных профилей бака трансформатора в горизонтальном и вертикальном направлениях и сопоставление их с конструктивными особенностями трансформатора (расположение обмоток, отводов, элементов охлаждения и тому подобное), пофазное сравнение полученных данных, в зависимости от длительности эксплуатации и режима работы, позволяет в ряде случаев получить дополнительную информацию о характере протекания тепловых процессов в баке трансформатора. При термографическом обследовании трансформатора необходимо оценивать как значения температур, так и их распределение по фазам.

2.5.3.8 Маслорасширители

Как известно, при изменении теплового состояния трансформатора происходит обмен масла между его объемами, находящимися в баке трансформатора и маслорасширителе. При стабилизации теплового состояния, теплообмен между этими объемами масла происходит в основном за счет теплопередачи. При осмотре с помощью тепловизора выхлопной трубы трансформатора виден уровень масла, находящейся в ней и характер изменения температуры по высоте трубы. При работе трансформатора с нагрузкой просматривается также и уровень масла в его маслорасширителе. Однако в отдельных случаях, в маслопроводе соединяющем крышку трансформатора с маслорасширителем может происходить резкое падении температуры на поверхности маслопровода непосредственно после газового реле или отсечного клапана. Причина такой аномалии должна быть изучена с учетом конструкции трансформатора, диаметра маслопровода, нагрузки и других факторов и может быть обусловлена дефектом плоского крана, расположенного у газового реле.

Термографическое обследование трансформатора во многом является вспомогательным средством оценки его теплового состояния и исправности в работе, связанных с ним систем и узлов. Термографическому обследованию трансформатора должно предшествовать ознакомление с конструкцией выполнения обмоток, системы охлаждения, результатов работы трансформатора, объем и характер выполнявшихся ремонтных работ, длительности эксплуатации, анализа повреждений трансформаторов идентичного исполнения (если они происходили), результатов эксплутационных испытаний и измерений и тому подобное.

Поверхности бака трансформаторов, термосифонных фильтров, систем охлаждения должны быть осмотрены и с них, по возможности, должны быть удалены грязь, следы масла, закрашена ржавчина, то есть созданы условия для обеспечения одинаковой излучательной способности поверхностей трансформатора. Обследование предпочтительно проводить ночью (перед восходом солнца), при отключенном искусственном освещении трансформатора, в безветренную, не дождливую погоду, при максимально возможной нагрузке и в режиме холостого хода. Тепловизор или его сканер должен располагаться на штативе, как можно ближе к трансформатору, на оси средней фазы, с использованием объектива 7 - 12 ° и обеспечивать возможность как видео, так и аудиозаписи. После настройки постоянного температурного режима записи тепловизора, ведется no-кадровая регистрация термоизображений, начиная с верхней части крайней фазы (например "А") по направлению к фазе "С", с наложением кадров друг на друга около 10% размера. Достигнув поверхности бака фазы "С" объектив сканера опускается ниже и далее no-кадровая съемка продолжается в противоположном направлении и таким образом, процесс съемки ведется, пока не будет записана вся поверхность бака, включая расположенные под его днищем маслонасосы, маслопроводы и другие узлы.

Термографической съемке подвергается вся доступная для этого поверхность бака по периметру. Тепловизор (2), во всех точках съемки, должен находится на одинаковом расстоянии от трансформатора (1) (Рисунок 15).

Рисунок 15 - План температурной съемки трансформатора

Минимальное количество точек съемки - четыре, максимальное - зависит от расположения и типа системы охлаждения. Так, при установке выносной системы охлаждения (3), количество точек съемки увеличивается до шести, термографическая съемка сопровождается речевыми комментариями, записываемыми на звуковую дорожку кассеты видеомагнитофона. В комментариях должно отражаться - режим работы трансформатора, ход ведения обследования, описание явлений фиксируемых тепловизором и другие события, связанные с видеозаписью. В последующем осуществляется по кадровое совмещение результатов съемки в единый развернутый "тепловой" план. Участки плана с аномальными температурами нагрева должны сопоставляться с технической документацией на трансформатор, характеризующей конструктивное расположение отводов обмоток, катушек, зон циркуляции масла, магнитопровода и его элементов и тому подобное. При этом фиксируется работа систем охлаждения, оценивается зона циркуляции масла, создаваемая каждой из них. Обращается внимание на образование аномальных зон нагрева на поверхности бака в результате смещения потоков масла.

При проведении планового инфракрасного контроля состояния трансформатора, оценивается работоспособность отдельных его узлов в объеме, указанном в таблице 3.

Таблица 3 - Критерии оценки работоспособности отдельных узлов трансформаторов при инфракрасном контроле

2.5.3.8 Системы охлаждения трансформаторов

Известно, что одним из основных критериев оценки теплового состояния трансформаторов является значение температуры верхних слоев масла (Тв.м).Температура верхних слоев масла нормируется для номинальной нагрузки трансформатора и ее абсолютное значение находится в пределах 70 - 95 °С в зависимости от категории исполнения охлаждающего устройства ( М, Д, ДЦ или Ц ). В процессе эксплуатации трансформаторов в системах охлаждения могут возникать неисправности, оказывающие влияние на тепловое состояние трансформатора и Тв.м. Поузловой инфракрасный контроль систем охлаждения трансформаторов позволяет достаточно эффективно оценить их работоспособность.

Однако в ряде случаев, например, перед проведением ремонта трансформатора, при повышении температуры верхних слоев масла сверх допустимых значений, перед возможным повышением нагрузки трансформатора, при появлении аномальных нагревов на поверхности баков трансформаторов и тому подобное, целесообразно оценить работоспособность каждого из охладителей системы охлаждения.

Испытание охладителей должны проводиться в летнее время года, в сухую погоду, без значительного ветра, при температуре окружающего воздуха выше + 10 °С (для систем охлаждения М, Д и ДЦ). Условия охлаждения трансформатора в разных точках могут существенно отличаться в результате влияния теплового отражения от межфазных противопожарных перегородок, соседних фаз или других трансформаторов, ветра, солнца и других факторов. Поэтому для трансформаторов с системой охлаждения М температуру охлаждающего воздуха измеряют примерно на уровне одной трети высоты бака на расстоянии 2 - 3 м от него, для трансформаторов с системой охлаждении Д на уровне половины высоты установки вентиляторов, для трансформаторов с системой охлаждения ДЦ на уровне нижних вентиляторов. Измерение температуры производится с точностью 0,5 °С.

Оценка работоспособности каждого из охладителей системы охлаждения трансформаторов осуществляется путем сравнения измеренных и расчетных значений температур охлажденного масла, с учетом значений превышения температуры верхних слоев масла над температурой окружающего воздуха (Тв.м).

3. Результаты тепловизионных обследований (ТВО) тяговых подстанций ВСЖД

В 2002-2004 гг. проведены комплексные тепловизионные обследования электрооборудования тяговых подстанций Восточно-Сибирской железной дороги. Обобщающие результаты этих обследований приведены в таблицах 4 - 6 и проиллюстрированы диаграммами, представленными на рисунках 16 - 24.

Таблица 4- Результаты тепловизионных обследований тяговых подстанций ВСЖД

Рисунок 16 - Диаграмма дефектов электрооборудования

Рисунок 17 - Распределение дефектов по распределительным устройствам (средние значения)

Рисунок 18 - Упорядоченная диаграмма дефектов электрооборудования

Рисунок 19 - Максимальное, минимальное и среднее число дефектов

Рисунок 20 - Распределение дефектов по РУ

Таблица 6 - Распределение дефектов по дистанциям электроснабжения

Рисунок 21 - Распределение дефектов по дистанциям электроснабжения

Рисунок 22 - Распределение дефектов по дистанциям электроснабжения

Таблица 7 - Среднее количество дефектов, приходящихся на одну ТП

Рисунок 23 - Среднее количество дефектов, приходящихся на одну ТП

Рисунок 24 - Распределение дефектов по дистанциям электроснабжения

Из анализа представленных материалов можно сделать следующие заключения:

1) Выявленные в результате ТВО дефекты неравномерно распределяются по распределительным устройствам. Наибольшее число дефектов обнаружено в РУ 0.4, 27.5 и 110-220 кВ.

2) Распределение дефектов по дистанциям электроснабжения также является неравномерным. Наиболее информативным параметром в данном случае является среднее число дефектов, приходящихся на одну ТП в границах дистанции электроснабжения. Из таблицы 7 и рисунка 4 следует, что наибольшие значения этого параметра имеют место в ЭЧ-6 (15 дефектов на одну ТП) и ЭЧ-1 (12 дефектов на одну ТП).

3.1 Анализ результатов тепловизионного контроля силовых трансформаторов

а) Радиаторы

Неисправностями радиаторов, в значительной мере влияющих на тепловое состояние трансформатора могут являться:

- дефекты плоских кранов, связанное с выжиманием внутрь резиновых прокладок, что не обеспечивает полное открытие крана, увеличивает гидравлическое сопротивление потоку масла и ухудшает теплоотдачу радиатора;

- наличие воздушной "подушки" в коллекторе радиатора;

- закупорка внутренней полости трубы радиатора, нарушение ее целости, загрязнение поверхностей труб или их межтрубного пространства.

При тепловизионном контроле радиаторов проводится анализ распределения температуры по высоте труб радиатора, по отдельным трубам, равномерности нагрева коллектора, температуры нагрева узлов соединения радиаторов с баком трансформатора.

Локальные перепады температуры в коллекторе могут быть обусловлены наличием в нем воздушной подушки.

При не полностью открытом плоском кране температуры на поверхности труб радиатора будут понижены по сравнению с таковыми на других радиаторах. Чрезмерное охлаждение вентиляторами нижних частей радиатора может привести к увеличению вязкости масла на входе в охлаждающие каналы обмоток и ухудшению условий их охлаждения. У многоходовых радиаторов желательно оценивать характер изменения температуры по поверхности труб по ходу движения масла.

б) Маслонасосы

Наиболее частыми причинами поваленного нагрева маслонасоса могут являться витковые замыкания в обмотке электродвигателя, дефекты подшипников, задевание рабочего колеса насоса за корпус последнего и т.п. Общий повышенный нагрев корпуса маслонасоса может быть связан с неэффективной работой охладителя за счет ограниченного теплосъема с его поверхности. Оценка состояния маслонасосов осуществляется путем сравнительного анализа значений измеренных температур на корпусе маслонасоса и поверхности маслопроводов с привязкой их к режиму работы трансформатора и внешним температурным воздействиям.

В отдельных случаях для углубленного анализа состояния работающего маслонасоса полезно знать его ток потребления, осуществлять акустические измерения на его корпусе с помощью ультразвукового дефектоскопа.

в) Вентиляторы

Локальные нагревы электродвигателей вентиляторов могут быть обусловлены дефектами подшипников, температура нагрева которых не должна превышать 80°С или витковыми замыканиями в обмотках.

Повышенные (по сравнению с другими электродвигателями) нагревы электродвигателя могут быть связаны работой его с перегрузкой в результате чрезмерного угла атаки крыльчатки, большим аэродинамическим сопротивлением входа воздуха в охладитель, забор воздуха из невентилируемой зоны, подверженной постороннему тепловому воздействию и тому подобное.

В сомнительных случаях, в качестве дополнительных критериев рекомендуется проверять зазор между крыльчатками вентиляторов и диффузорами по всему периметру, который должен быть равномерным и не превышать 1,5% диаметра рабочего колеса. Вибрация электродвигателя, измеренная в трех точках не должна превышать 0,06 мм. В противном случае рекомендуется проверить биение крыльчаток в осевом направлении. Если позволяет конструкция охладителя, может быть осуществлено измерение разности температур воздуха на входе и выходе вентиляторов охладителей и проведен их сравнительный анализ.

г) Охладители

Применительно к системам охлаждения трансформаторов различают проверку работоспособности охладителей и оценку их эффективности. Работоспособность систем охлаждения с помощью тепловизора может определяться как no-узловой проверкой отдельных элементов (маслонасосы, вентиляторы, радиаторы), так и системы в целом и производится при нагрузке определяемой режимом работы трансформатора на период его тепловизионного обследования.

Для проверки работоспособности охладителей определяется с помощью тепловизора температура масла на входе и выходе из охладителей (на поверхностях труб примыкающих к стенке бака трансформатора). По результатам измерений, определяется значение ∆Тохл (разница температуры масла на входе и выходе из охладителя) для каждого из охладителей и осуществляется их сравнительный анализ.

Оценка эффективности работы охладителей требует сопоставления измеренных значений ∆Тохл с расчетными параметрами, заложенными заводом в процессе проектирования трансформатора.

д) Поверхности бака трансформатора

Сроки проведения тепловизионного обследования баков трансформаторов регламентированы Объемами и Нормами испытаний электрооборудования, но могут быть существенно сокращены при получении неудовлетворительных результатов при измерении тока и потерь холостого хода, напряжения короткого замыкания, выявления аномальных нагревов стенок бака или болтов крепления разъема колокола и тому подобное.

Если перед проведением тепловизионного обследования, трансформатор работал с малой нагрузкой, он должен быть предварительно нагрет до температуры верхних слоев масла 50-60 °С, что необходимо для снятия изоляционных характеристик. Нагрев трансформатора достигается за счет временного отключения вентиляторов дутья при работающих насосах циркуляции масла. При тепловизионном обследовании проверяются:

- равномерность распределения температуры по поверхности бака как со стороны обмотки ВН, так и НН;

- работоспособность охладителей, путем измерения температур на входе и выходе масла;

- фиксируются возможные очаги аномальных нагревов: на поддоне, в разъеме колокола, в местах установки адаптеров вводов, разъемов люков, маслонасосах, вентиляторов;

- сопоставляются значения температур верхних слоев масла, измеренных термосигнализатором и тепловизором;

- сопоставляются уровни масла в маслорасширителе с уровнем масла во вводах;

- по возможности проверяется распределение температуры вдоль маслопроводов, соединяющих бак трансформатора с маслорасширителем (наличие протока масла через газовое реле, отсечный клапан).

По выявленным тепловым аномалиям, проводится анализ возможных причин их вызывающих и намечается объем дополнительных проверок и измерений. Желательно всю информацию о результатах тепловизионного обследования и иных испытаниях, а также результаты осмотра, выявленные неисправности и эксплуатационные данные закладывать в компьютерный банк данных по каждому из исполнений трансформаторов.

4. Применение экспертных систем для обработки результатов диагностирования силовых трансформаторов

4.1 Основные понятия и определения

4.1.1 Назначения и основные свойства экспертных систем

В системах искусственного интеллекта и в экспертных системах, в частности, решаются, как правило, неформализованные задачи, то есть ЭС и системы ИИ не отвергают и не заменяют традиционного подхода к разработке программ, ориентированного на решение формализованных задач (например, проблем обработки данных, проектирования или научных расчетов). Просто вместо последовательного программирования с заранее создаваемыми программами (процедурное программирование) искусственный интеллект предполагает динамическое формирование программы из накопленных в памяти компьютера фактов, навыков и правил, которые машина применяет в конкретной ситуации.

ЭС используются для решения так называемых неформализованных задач, общим для которых является то, что:

1) задачи не могут быть заданы в числовой форме;

2) цели нельзя выразить в терминах точно определённой целевой функции;

3) не существует алгоритмического решения задачи;

4) если алгоритмическое решение есть, то его нельзя использовать из-за

ограниченности ресурсов (время, память).

Неформализованные задачи обычно обладают следующими характеристиками:

1) ошибочность, неоднозначность, неполнота и противоречивость исходных данных;

2) ошибочность, неоднозначность, неполнота и противоречивость знаний о проблемной области[1] и о решаемой задаче;

3) большая размерность пространства решения, то есть перебор при поиске решения весьма велик;

4) динамически изменяющиеся данные и знания.

Большой интерес к экспертным системам вызван, по крайней мере, тремя причинами:

1) они ориентированы на решение большого круга задач в неформализованных областях, то есть на приложения, которые до недавнего времени считались мало доступными для вычислительной техники;

2) экспертные системы предназначены для работы специалистов, не имеющих навыков программирования, что дает возможность резко расширить сферу использования вычислительной техники;

3) экспертные системы решают практические задачи, получая при этом результаты, сравнимые с результатами, которые получил бы человек-эксперт.

На рисунке 25 отражено положение, которое экспертные системы занимают среди систем искусственного интеллекта.

Программы искусственного интеллекта – демонстрируют интеллектуальное поведение умелым применением эвристик.

Системы, основанные на знаниях – делают знания предметной области явными и отделяют их от остальной части системы.

Экспертная система - это программное средство, использующее экспертные знания для обеспечения высокоэффективного решения неформализованных задач в узкой предметной области. Основу ЭС составляет база знаний (БЗ) о предметной области, которая накапливается в процессе построения и эксплуатации ЭС. Накопление и организация знаний - важнейшее свойство всех ЭС.

Рисунок 25 - Место экспертных систем в программах искусственного интеллекта

Рисунок 26 - Основные свойства ЭС

Знания являются явными и доступными, что отличает ЭС от традиционных программ, и определяет их основные свойства, такие, как:

1) Применение для решения проблем высококачественного опыта, который представляет уровень мышления наиболее квалифицированных экспертов в данной области, что ведёт к решениям творческим, точным и эффективным.

2) Наличие прогностических возможностей, при которых ЭС выдаёт ответы не только для конкретной ситуации, но и показывает, как изменяются эти ответы в новых ситуациях, с возможностью подробного объяснения каким образом новая ситуация привела к изменениям.

3) Обеспечение такого нового качества, как институциональная память, за счёт входящей в состав ЭС базы знаний, которая разработана в ходе взаимодействий со специалистами организации, и представляет собой текущую политику этой группы людей. Этот набор знаний становится сводом квалифицированных мнений и постоянно обновляемым справочником наилучших стратегий и методов, используемых персоналом. Ведущие специалисты уходят, но их опыт остаётся.

4) Возможность использования ЭС для обучения и тренировки руководящих работников, обеспечивая новых служащих обширным багажом опыта и стратегий, по которым можно изучать рекомендуемую политику и методы.

4.1.2 Архитектура экспертных систем

Экспертные системы - это специфичные программы, поскольку, как правило, используют механизм автоматического рассуждения (вывода) и так называемые слабые методы, такие, как поиск или эвристика. Они существенно отличаются от точных и хорошо аргументированных алгоритмов и не похожи на математические процедуры большинства традиционных разработок.

Основой любой ЭС является совокупность знаний, структурированная в целях упрощения процесса принятия решения. Для специалистов в области искусственного интеллекта термин знания означает информацию, которая необходима программе, чтобы она вела себя "интеллектуально". Эта информация принимает форму фактов и правил. Факты и правила в ЭС не всегда либо истинны, либо ложные. Иногда существует некоторая степень неуверенности в достоверности факта или точности правила. Если это сомнение выражено явно, то оно называется "коэффициентом доверия".

Коэффициент доверия — это число, которое означает вероятность или степень уверенности, с которой можно считать данный факт или правило достоверным или справедливым.

ЭС используют эвристики, так как задачи, которые она решает, трудны, не до конца понятны, не поддаются строгому математическому анализу или алгоритмическому решению. Алгоритмический метод гарантирует корректное или оптимальное решение задачи, тогда как эвристический метод даёт приемлемое решение в большинстве случаев.

Знания в ЭС организованы так, чтобы знания о предметной области отделить от других типов знаний системы, таких как общие знания, о том, как решать задачи или знание о том, как взаимодействовать с пользователем. Выделенные знания о предметной области называются базой знаний, тогда как общие знания о нахождении решений задач называются механизмом вывода. Программные средства, которые работают со знаниями, организованными таким образом, называются системами, основанными на знаниях.

Граница между программами ИИ и экспертными системами не так уж четко ограничена.

Экспертные системы - это программы, которые при решении задач, трудных для человека-эксперта, получают результаты, не уступающие по качеству и эффективности решениям, получаемым экспертом.

Как правило, современная экспертная система содержит следующие компоненты (Рисунок 27):

1) подсистему приобретения знаний;

2) базу знаний;

3) механизм вывода;

4) рабочую память;

5) интерфейс пользователя;

6) подсистему объяснения;

7) подсистему совершенствования вывода.

Рисунок 27 - Архитектура экспертной системы

Среда разработки используется создателями ЭС для введения и представления экспертных знаний, а среда консультации доступна пользователям (не экспертам) для получения экспертных знаний и советов.

Приобретение знаний - это сбор, передача и преобразование опыта решения проблем из некоторых источников знаний в компьютерные программы при их создании или расширении (потенциальные источники знаний - люди-эксперты, учебники, базы данных, исследовательские отчеты, собственный опыт пользователей).

База знаний содержит два основных элемента - факты (данные) из предметной области и специальные эвристики или правила, которые управляют использованием фактов при решении проблем.

Механизм вывода - управляющая структура ЭС. Известна также как интерпретатор правил (в ЭС, основанных на правилах). Это компьютерная программа, управляющая использованием системных знаний посредством формирования и организации последовательности шагов, предпринимаемых для решения проблемы (так называемой “повестки”).

Составляющие механизма вывода:

1) интерпретатор (обычно интерпретатор правил) выполняет выбранную повестку, применяя соответствующие правила из базы знаний;

2) планировщик управляет процессом выполнения повестки, оценивая эффект применения различных правил с точки зрения приоритетов или других критериев.

Рабочая память служит для хранения данных, полученных от пользователя, и промежуточных данных, выведенных в ходе работы системы.

Интерфейс пользователя. Экспертные системы содержат лингвистический процессор для дружественного, проблемно-ориентированного общения между пользователем и компьютером (лингвистический процессор преобразует входные данные, представленные на ограниченном естественном языке - русском, английском - в представление на внутреннем языке системы и обратно - сообщения системы на внутреннем языке в сообщения на ограниченном естественном). Общение это может сопровождаться графикой и многооконным меню.

Подсистема объяснения сообщает, почему и как программа вывода обрабатывает тот или иной символ. Обычно объяснительный блок сообщает следующее: как правила используют информацию пользователя, почему использовались (не использовались) данные правила, какие были сделаны выводы.

Совершенствование вывода. Люди-эксперты могут анализировать свою собственную работу, опыт, знания и улучшать их. Аналогичная способность необходима и для ЭС, чтобы она была способна анализировать причины своего успеха или неудачи. Это приведет к улучшению представления знаний в базе знаний и совершенствованию логического вывода.

В процессе решения задачи ЭС запрашивает у пользователя факты, касающиеся конкретной ситуации (проблемы). Получив ответы, ЭС пытается вывести заключение (рекомендацию). Эта попытка выполняется механизмом вывода, решающим, какая стратегия эвристического поиска должна быть использована применительно к данной проблеме. Пользователь может запросить объяснение поведения ЭС и объяснение ее заключений. Качество вывода определяется методом, выбранным для представления знаний, объемом базы знаний и мощностью механизма вывода.

Экспертная система, из которой удалена база знаний, называется оболочкой. Первые инструментальные системы для создания ЭС и были получены из готовых ЭС путем удаления предметных знаний (например, emycin из mycin, kas из prospector). С помощью оболочки можно быстрее создать ЭС, чем “с нуля”, но за легкость эту приходится расплачиваться сужением предметной области. Если ЭС mycin используется для диагностики заболеваний крови, то с помощью emycin (скелетного языка, оболочки mycin) можно создать диагностическую систему для других целей, но вряд ли - ЭС, анализирующую состояние рынка ценных бумаг.

Однако существует более высокий класс приложений, где требуется учитывать динамику изменения окружающего мира за время исполнения приложения. Такие экспертные системы получили название динамических ЭС и их обобщённая структура будет иметь вид, приведённый на рисунке 28.

По сравнению со статической ЭС в динамическую вводится ещё два компонента:

1) подсистема моделирования внешнего мира;

2) подсистема сопряжения с внешним миром.

Рисунок 28 – Архитектура динамической экспертной системы

Динамические ЭС осуществляет связи с внешним миром через систему контроллеров и датчиков. Кроме того компоненты БЗ и механизма вывода существенно изменяются, чтобы отразить временную логику происходящих в реальном мире событий.

К разряду таких динамических сред разработки ЭС относится семейство программных продуктов фирмы Gensym Corp. (США). Один из таких продуктов система G2 – базовый программный продукт, представляющий собой графическую, объектно-ориентированную среду для построения и сопровождения экспертных систем реального времени, предназначенных для мониторинга, диагностики, оптимизации, планирования и управления динамическим процессом.

4.1.3 Состав и взаимодействие участников построения и эксплуатации экспертных систем

К числу основных участников следует отнести саму экспертную систему, экспертов, инженеров знаний, средства построения ЭС и пользователей. Их основные роли и взаимоотношение приведены на рисунке 29.

Рисунок 29 – Взаимосвязи основных участников построения и эксплуатации экспертных систем

Экспертная система — это программное средство, использующее знания экспертов, для высокоэффективного решения задач в интересующей пользователя предметной области. Она называется системой, а не просто программой, так как содержит базу знаний, решатель проблемы и компоненту поддержки. Последняя из них помогает пользователю взаимодействовать с основной программой.

Эксперт — это человек, способный ясно выражать свои мысли и пользующийся репутацией специалиста, умеющего находить правильные решения проблем в конкретной предметной области. Эксперт использует свои приёмы и ухищрения, чтобы сделать поиск решения более эффективным, и ЭС моделирует все его стратегии.

Инженер знаний — человек, как правило, имеющий познания в информатике и искусственном интеллекте и знающий, как надо строить ЭС. Инженер знаний опрашивает экспертов, организует знания, решает, каким образом они должны быть представлены в ЭС, и может помочь программисту в написании программ.

Средство построения ЭС — это программное средство, используемое инженером знаний или программистом для построения ЭС. Этот инструмент отличается от обычных языков программирования тем, что обеспечивает удобные способы представления сложных высокоуровневых понятий.

Пользователь — это человек, который использует уже построенную ЭС. создатель инструмента, отлаживающий средство построения ЭС;

Важно различать инструмент, который используется для построения ЭС, и саму ЭС. Инструмент построения ЭС включает как язык, используемый для доступа к знаниям, содержащимся в системе, и их представления, так и поддерживающие средства – программы, которые помогают пользователям взаимодействовать с компонентой экспертной системы, решающей проблему.

4.1.4 Преимущества использования экспертных систем

Преимуществами и положительными качествами искусственной компетенции являются:

1) Её постоянство. Человеческая компетенция ослабевает со временем. Перерыв в деятельности человека-эксперта может серьёзно отразиться на его профессиональных качествах.

2) Лёгкость передачи или воспроизведения. Передача знаний от одного человека другому — долгий и дорогой процесс. Передача искусственной информации — это простой процесс копирования программы или файла данных.

3) Устойчивость и воспроизводимость результатов. Эксперт-человек может принимать в тождественных ситуациях разные решения из-за эмоциональных факторов. Результаты ЭС — стабильны.

4) Стоимость. Эксперты, особенно высококвалифицированные обходятся очень дорого. ЭС, наоборот, сравнительно недороги. Их разработка дорога, но они дёшевы в эксплуатации.

Вместе с тем разработка ЭС не позволяет полностью отказаться от эксперта-человека. Хотя ЭС хорошо справляется со своей работой, тем не менее, в определённых областях человеческая компетенция явно превосходит искусственную. Однако и в этих случаях ЭС может позволить отказаться от услуг высококвалифицированного эксперта, оставив эксперта средней квалификации, используя при этом ЭС для усиления и расширения его профессиональных возможностей.

4.1.5 Основные режимы работы экспертных систем

В работе ЭС можно выделить два основных режима: режим приобретения знаний и режим решения задачи (режим консультации или режим использования). В режиме приобретения знаний общение с ЭС осуществляет эксперт (при помощи инженера знаний).

Используя компонент приобретения знаний, эксперт описывает проблемную область в виде совокупности фактов и правил. Другими словами, "наполняет" ЭС знаниями, которые позволяют ей самостоятельно решать задачи из проблемной области.

Этому режиму при традиционном подходе к программированию соответствуют этапы: алгоритмизации, программирования и отладки, выполняемые программистом. Таким образом, в отличие от традиционного подхода в случае ЭС разработку программ осуществляет не программист, а эксперт, не владеющий программированием.

В режиме консультаций общение с ЭС осуществляет конечный пользователь, которого интересует результат и (или) способ его получения. Необходимо отметить, что в зависимости от назначения ЭС пользователь может:

1) не быть специалистом в данной предметной области, и в этом случае он обращается к ЭС за результатом, который не умеет получить сам;

2) быть специалистом, и в этом случае он обращается к ЭС с целью ускорения получения результата, возлагая на ЭС рутинную работу.

Следует отметить, что в отличие от традиционных программ ЭС при решении задачи не только исполняют предписанную алгоритмом последовательность операций, но и сама предварительно формирует её.

Хорошо построенная ЭС имеет возможность самообучаться на решаемых задачах, пополняя автоматически свою БЗ результатами полученных выводов и решений.

4.1.6 Отличие экспертных систем от традиционных программ

Особенности ЭС, отличающие их от обычных программ, заключаются в том, что они должны обладать:

1) Компетентностью, а именно:

а) Достигать экспертного уровня решений (то есть в конкретной предметной области иметь тот же уровень профессионализма, что и эксперты-люди);

б) Быть умелой (то есть применять знания эффективно и быстро, избегая, как и люди, ненужных вычислений);

в) Иметь адекватную робастность (то есть способность лишь постепенно снижать качество работы по мере приближения к границам диапазона компетентности или допустимой надёжности данных).

2) Возможностью к символьным рассуждениям, а именно:

а) Представлять знания в символьном виде;

б) Переформулировать символьные знания. На жаргоне искусственного интеллекта символ — это строка знаков, соответствующая содержанию некоторого понятия. Символы объединяют, чтобы выразить отношения между ними. Когда отношения представлены в ЭС они называются символьными структурами.

3) Глубиной, а именно:

а) Работать в предметной области, содержащей трудные задачи;

б) Использовать сложные правила (то есть использовать либо сложные конструкции правил, либо большое их количество).

4) Самосознанием, а именно:

а) Исследовать свои рассуждения (то есть проверять их правильность);

б) Объяснять свои действия.

Существует ещё одно важное отличие ЭС. Если обычные программы разрабатываются так, чтобы каждый раз порождать правильный результат, то ЭС разработаны с тем, чтобы вести себя как эксперты. Они, как правило, дают правильные ответы, но иногда, как и люди, способны ошибаться.

Традиционные программы для решения сложных задач, тоже могут делать ошибки. Но их очень трудно исправить, поскольку алгоритмы, лежащие в их основе, явно в них не сформулированы. Следовательно, ошибки нелегко найти и исправить. ЭС, подобно людям, имеют потенциальную возможность учиться на своих ошибках.

4.1.7 Технология разработки экспертных систем

Технология их разработки ЭС, включает в себя шесть этапов (Рисунок 30): этапы идентификации, концептуализации, формализации, выполнения, тестирования, опытной эксплуатации. Рассмотрим более подробно последовательности действий, которые необходимо выполнить на каждом из этапов.

Рисунок 30 - Технология разработки экспертных систем

1) На этапе идентификации необходимо выполнить следующие действия:

а) определить задачи, подлежащие решению и цели разработки;

б) определить экспертов и тип пользователей.

2) На этапе концептуализации:

а) проводится содержательный анализ предметной области;

б) выделяются основные понятия и их взаимосвязи;

в) определяются методы решения задач.

3) На этапе формализации:

а) выбираются программные средства разработки ЭС;

б) определяются способы представления всех видов знаний;

в) формализуются основные понятия.

4) На этапе выполнения (наиболее важном и трудоёмком) осуществляется наполнение экспертом БЗ, при котором процесс приобретения знаний разделяют:

а) на "извлечение" знаний из эксперта;

б) на организацию знаний, обеспечивающую эффективную работу ЭС;

в) на представление знаний в виде, понятном для ЭС.

Процесс приобретения знаний осуществляется инженером по знаниям на основе деятельности эксперта.

5) На этапе тестирования эксперт и инженер по знаниям с использованием диалоговых и объяснительных средств проверяют компетентность ЭС. Процесс тестирования продолжается до тех пор, пока эксперт не решит, что система достигла требуемого уровня компетентности.

6) На этапе опытной эксплуатации проверяется пригодность ЭС для конечных пользователей. По результатам этого этапа возможна существенная модернизация ЭС.

Процесс создания ЭС не сводится к строгой последовательности этих этапов, так как в ходе разработки приходится неоднократно возвращаться на более ранние этапы и пересматривать принятые там решения.

4.2 Представление знаний в экспертных системах

При построении ЭС с особой остротой встал вопрос о том, какие знания должны быть в них представлены и в какой форме. Структура знаний зависит от сферы их использования и может быть довольно сложной. Существуют несколько моделей представления знаний, из которых мы выделим четыре: логические исчисления, фреймы, семантические сети и продукционные системы.

4.2.1 Логические исчисления

В основе логических моделей [18] лежит понятие формальной теории, задаваемой четверкой: S=< B, F, A, R>.

Здесь B - счетное множество базовых символов (алфавит теории S). Конечные последовательности базовых символов называются выражениями теории S.

F - подмножество выражений теории S, называемых формулами теории. Обычно имеется эффективная процедура построения выражений, являющихся формулами. Можно эту процедуру рассматривать как множество синтаксических правил, позволяющих строить из B синтаксически правильные выражения, то есть формулы.

A - выделенное множество формул, называемых аксиомами теории S, то есть множество априорно истинных формул.

R - конечное множество отношений между формулами, называемых правилами вывода. Для каждого существует целое положительное число j такое, что для каждого множества, состоящего из j формул, и для каждой формулы f эффективно решается вопрос о том, находятся ли данные j формул в отношении с формулой f. Если отношение выполняется, то f называется непосредственным следствием данных формул по правилу .

Следствием (выводом) формулы в теории S называется всякая последовательность формул такая, что для любого i формула есть либо аксиома теории S, либо непосредственное следствие каких-либо предыдущих формул по одному из правил вывода. Правила вывода позволяют расширять множество формул, которые считаются истинными в рамках данной теории. Формальная теория называется разрешимой, если существует единая эффективная процедура, позволяющая узнать для любой данной формулы, существует ли ее вывод в S.

Формальная система S называется непротиворечивой, если не существует формулы A такой, что A и выводимы в S.

Наиболее распространенной формальной системой, используемой для представления знаний, является исчисление предикатов.

Алфавит исчисления предикатов состоит из следующего набора символов:

1) знаков пунктуации {(,).};

2) пропозициональных связок { };

3) знаков кванторов { };

4) символов переменных , k=1,2,...;

5) n-местных функциональных букв: ( называют константными буквами);

6) n-местных предикатных букв (символов):

В дальнейшем в примерах для упрощения будем вместо писать u, v, x, y, z...;

вместо - a,b,c,d...; вместо - f,g,h,...; а вместо - P, Q, R, S, T, V, W....

Из символов алфавита можно строить различные выражения. Выделяют термы, элементарные формулы (атомы) и правильно построенные формулы (или просто формулы).

Всякий символ переменной или константной формулы есть терм. Если - термы, то и является термом.

Если - предикатная буква, а - термы, то и - элементарная формула (атом). Атом является правильно построенной формулой. Если A и B - правильно построенные формулы, то есть правильно построенные формулы. Если A - правильно построенная формула и x - переменная в A, то и - правильно построенные формулы.

Выражение является правильно построенной формулой, только если оно получено с соблюдением перечисленных выше правил.

В выражениях и называются областью действия квантора всеобщности (общности) и квантора существования соответственно. При этом переменная x называется связанной, если она находится в области действия квантора, примененного к этой переменной. Переменная свободна, если она не связана. Примером формулы является следующее выражение: . В этой формуле переменная x связана, а переменная y свободна. Формула называется замкнутой, если она не содержит свободных переменных.

Для того, чтобы придать формуле содержание, ее интерпретируют как утверждение, касающееся рассматриваемой предметной области. Под интерпретацией понимают всякую систему, состоящую из непустого множества D, называемого областью интерпретации, и какого-либо соответствия, относящего каждой предикатной букве некоторое n-местное отношение в D, а каждой функциональной букве - некоторую n-местную функцию, отображающую , и каждой константной букве - некоторый элемент из D. При заданной интерпретации переменные мыслятся пробегающими область D этой интерпретации. При заданной интерпретации всякой элементарной формуле приписывается значение “истинно” (И) или “ложно” (Л).

Приписывание значения элементарной формуле осуществляется по следующему правилу: если термы предикатной буквы соответствуют элементам из D, удовлетворяющим отношению, определяемому данной интерпретацией, то значением элементарной формулы будет истина, в противном случае - ложь.

Значение неэлементарной формулы можно вычислить рекуррентно, исходя из значений составляющих ее формул. При этом, если A и B - формулы, то значения формул определяются по таблице истинности:

_____________________________________________________________

A B

_____________________________________________________________

И И Л И И И

Л И И И Л И

И Л Л И Л Л

Л Л И Л Л И

_____________________________________________________________

Формула обозначает утверждение: “для любого значения x из области D значение формулы A истинно (выполнено)”, а формула обозначает утверждение: “существует такое значение x из области D, что значение формулы A истинно (выполнено)”. Приведенные выше утверждения могут быть как истинны, так и ложны. В случае конечных областей значения истинность таких формул можно установить с помощью таблиц истинности. Очевидно, что некоторые формулы могут быть истинными или ложными в зависимости от выбранной интерпретации.

Формула A называется выполнимой тогда и только тогда, когда существует интерпретация I такая, что A принимает значение И в I. Если формула A принимает значение И в интерпретации I, то говорят, что I удовлетворяет формуле A.

Если некоторая формула A принимает значение И при всех интерпретациях, то ее называют общезначимой. Так, например, формула истинна при любой интерпретации (это можно установить по таблице истинности), и, следовательно, эта формула общезначима.

Формула A называется невыполнимой, если при всех интерпретациях она принимает значение Л.

Формула A логически следует из формул тогда и только тогда, когда всякая интерпретация I, удовлетворяющая , удовлетворяет также и A. Формулы называют посылками, а A - заключением логического следования и обозначают .

Справедлива теорема (теорема дедукции): “Пусть даны формулы и формула A. Формула A является логическим следствием тогда и только тогда, когда формула общезначима, т.е. ”.

Задачей доказательства теоремы называют выяснение вопроса логического следования некоторой формулы A из заданного множества формул, , что равносильно доказательству общезначимости формулы или невыполнимости формулы .

Для исчисления предикатов первого порядка не существует общего метода установления общезначимости любых формул, т.е. исчисление предикатов первого порядка является неразрешимым. Однако, если некоторая формула исчисления предикатов общезначима, то существует процедура для проверки ее общезначимости, т.е. исчисление предикатов можно назвать полуразрешимым.

Логические исчисления в большинстве случаев ограничиваются исчислениями предикатов первого порядка. В простейшем случае запись факта имеет вид P(x,y,z,...), где P - отношение, а x,y,z,... - объекты, на которых оно задано. Логические модели представления фактов с помощью предикатов носят название атомарных формул. Кроме них, выделяются правильно построенные логические формулы, включающие кванторы существования и общности (всеобщности).

Приведенные ниже примеры являются логическими моделями представления фактов с помощью предикатов.

Два варианта записи факта: “Михаил дал книгу Владимиру” в виде формулы исчисления предикатов:

ДАТЬ (МИХАИЛ, ВЛАДИМИРУ, КНИГУ );

(ЭЛЕМЕНТ(x, СОБЫТИЕ - ДАТЬ) ИСТОЧНИК(x, МИХАИЛ) АДРЕСАТ(x, ВЛАДИМИР) ОБЪЕКТ(x, КНИГА).

Положительными сторонами логических моделей являются единственность теоретического обоснования и возможность реализации системы формально точных определений и выводов. Представление знаний в виде формул исчисления предикатов позволяет применить к ним формальные методы вывода. В частности, может быть использован метод резолюций, применяемый в системах автоматического доказательства, обучения и автоматического синтеза программ. Кроме того, логическая модель представления знаний поддерживается языком логического программирования Пролог, что делает естественной ее практическую реализацию.

Однако действительность не укладывается в рамки классической логики. Приходится изобретать новые логики или модернизировать старые, чтобы включить в них временные, модальные и иные категории. Но для этих логик не существует автоматических систем вывода. Так называемая “человеческая логика”, применяемая при работе с неструктурированными знаниями, - это интеллектуальная модель с нечеткой структурой, и в этом ее отличие от старой логики. Таким образом, логики, адекватно отражающей человеческое мнение, к настоящему времени еще не создано.

К недостаткам логического представления знаний можно отнести и сложность создания подсистемы объяснения - важной части экспертной системы.

4.2.2 Фреймовая модель

В области искусственного интеллекта термин фрейм относится к специальному методу представления общих концепций и ситуаций. Марвин Минский, предложивший идею фреймов, описывает его следующим образом:

“Фрейм - это структура данных, представляющая стереотипную ситуацию, вроде нахождения внутри некоторого рода жилой комнаты, или сбора на вечеринку по поводу дня рождения ребенка. К каждому фрейму присоединяется несколько видов информации. Часть этой информации - о том, как использовать фрейм. Часть о том, чего можно ожидать далее. Часть о том, что следует делать, если эти ожидания не подтвердятся”.

Собственно структура, описывающая некоторую ситуацию, называется фреймом-прототипом. Для отображения же конкретной ситуации используются фреймы-экземпляры, у которых позиции фрейма-прототипа (слоты) заполнены конкретными значениями. С каждым слотом можно связать любое количество процедур. Чаще всего со слотами связываются следующие процедуры:

1) если - добавлено выполняется, когда новая информация помещается в слот;

2) если - удалено выполняется, когда информация удаляется из слота;

3) если - нужно выполняется, когда запрашивается информация из слота, а он пустой.

Системы, основанные на фреймах, хороши в тех предметных областях, где ожидания относительно формы и содержания данных играют важную роль (например, в таких областях, как интерпретация визуальной информации или понимание речи).

Достоинства фреймовых моделей - естественность, наглядность представления, модульность, поддержка возможности использования правил умолчания.

Основным недостатком фреймовых моделей является отсутствие механизмов управления выводом. Отчасти этот недостаток может быть устранен при помощи присоединенных процедур, однако при таком подходе затрудняется управление завершенностью и постоянством целостного образа. В частности, по этой причине существует большая опасность нарушения корректности присоединенных процедур.

4.2.3 Семантические сети

Основой модели семантической сети является формализация знаний в виде ориентированного графа с размеченными вершинами (узлами) и дугами.

Вершины могут соответствовать общим понятиям, константам, типовым переменным, событийным фреймам, фреймам-характеристикам, логическим функциям и предикатам.

Дуги представляют теоретико-множественные, логические и другие отношения. Обычно для представления иерархии используются дуги типа является и имеет часть. Такие дуги устанавливают свойство иерархии наследования в сети: элементы более низкого уровня в сети могут наследовать свойства элементов более высокого уровня. Это экономит память, поскольку информацию о сходных вершинах не нужно повторять в каждой вершине сети. Вместо этого такая информация может размещаться в одной из вершин высокого уровня иерархии.

Семантические сети, используемые для описания естественных языков, используют дуги типа агент, объект, реципиент.

Однако события, представленные в виде транзитивных формул, сложно представить с помощью семантической сети. Кроме того, семантические сети считаются малопригодными для построения формальных моделей реального мира или его частей.

4.2.4 Представление знаний с использованием правил

На языке ЭС термин правило имеет более узкое значение, чем в обычном словоупотреблении. Он относится к наиболее популярному способу представления знаний [19, 20, 21, 22]. Правила выражаются в виде утверждений типа ЕСЛИ-ТО:

ЕСЛИ условие ТО действие

Под условием подразумеваются обстоятельства, при которых должно использоваться правило, а под действием - то, что должно происходить, когда левая часть правила соответствует логическому значению истина.

Действие может быть любым, но обычно речь идет о выводе заключения как части аргументации или доказательства. Пример правила, по которому экспертная система mycin (ЭС медицинской диагностики) выдает заключение:

ЕСЛИ реакция микроорганизма положительная и форма микроорганизма - кокк

ТО с вероятностью 0.7 этот микроорганизм является стрептококком.

Иногда в правиле ЕСЛИ a ТО b a называют антецедентом или посылкой правила, b - консеквентном, следствием или заключением.

Важное место в продукционных моделях (основанных на правилах) занимают стратегии вывода, то есть перехода от одного правила к другому. Различают прямую и обратную стратегии вывода (или цепочки рассуждений).

Прямой вывод (прямая цепочка рассуждений) предполагает использование существующих фактов и правил для дедукции (логического вывода) новых фактов (предположений), а также фактов, которые неявно существовали и раньше, но могут быть сделаны явными посредством применения правил (набор известных фактов обычно называется базой данных).

Этот метод называется прямой цепочкой рассуждений, поскольку поиск новой информации происходит в направлении стрелок, разделяющих левые и правые части правил. В нашем примере (Рисунок 31) было выведено, что существуют ситуации X,Y и Z.

Прямую цепочку используют, например, xcon (ЭС, помогающая фирме Digital Equipment Corporation (dec) подбирать для клиентов конфигурацию компьютеров vax), dendral(знаменитая система химического анализа) и другие системы.

Обратный вывод (обратная цепочка рассуждений) начинаем с заключения, которое представляет для нас интерес и не является явным (истинным фактом). Оно не находится среди хранимых фактов, когда мы запускаем систему. Мы хотим выяснить, обусловлен (подразумевается) ли данный факт другими, известными нам фактами и правилами, существует ли некий образец рассуждений, который может установить истинность этого факта? В этом случае мы должны идти в обратном направлении и попытаться определить достоверность всех посылок в тех правилах, которые могут применяться для установления истинности

На шаге 1 (Рисунок 32) системе говорится, чтобы она установила (если сможет), что ситуация Z существует. Сначала она проверит базу данных в поисках Z и установит отсутствие факта Z. конечного вывода (заключения). Перемещение на несколько уровней назад в древовидной структуре даст нам факты, которые являются истинными (явными).

На шаге 2 система будет искать среди правил то, которое приводит к установлению факта Z, то есть правило, у которого Z стоит справа от стрелки (Z - заключение правила). Она находит правило D&Y=>Z и решает, что должна установить факт Y, чтобы вывести Z (факт Dв базе данных имеется).

На шаге 3 система пытается установить факт Y, сначала проверяя базу данных, а затем найдя правило, в правой части которого стоит Y. Из этого правила (C&X=>Y) система решает, что должна установить существование факта X для получения заключения Y (факт С в базе данных имеется).

Рисунок 31 - Пример прямой цепочки рассуждений

На шаге 4 система пытается установить факт Х, сначала проверяя базу данных, а затем найдя правило, в правой части которого стоит Х. Из этого правила (А&В=>Х) система решает, что должна установить существование фактов А и В для получения заключения Х (факты А и В в базе данных имеются).

На шагах 5-7 система выполняет первое правило, чтобы установить Х, затем выполняет второе правило, чтобы установить Y, и, наконец, выполняет третье правило, чтобы установить основную цель - факт существования Z.

Цепочка выводов, созданная здесь, идентична той, что была создана в