Software & Systems

Выход из строя такого агрегата, как мощный трансформатор, происходит внезапно и часто приводит к аварии с тяжелыми техническими и экономическими последствиями. В связи с этим в высоковольтных лабораториях регулярно ведется интенсивный поиск надежных и достоверных методов диагностики [1–3]. Среди причин дефектов обмоток основная – электродинамическое воздействие токов короткого замыкания, приводящее к смещению витков в обмотках [4]. По этой причине актуальна задача поиска новых методов диагностики механического состояния обмоток [5].

Наиболее важным и эффективным методом диагностики активной части силового трансформаторного оборудования является метод низковольтных импульсов (НВИ), впервые разработанный в 1966 г. польскими учеными-электротехни­ками В. Лехом и Л. Тымински [6]. При различной степени деформаций изменяются емкости и иногда индуктивности деформированных элементов. Это приводит к изменению собственных частот колебаний, что проявляется в осциллограммах импульсных токов и напряжений. Характер изменений осциллограмм зависит от величины и характера деформаций [7, 8]. Поэтому для объективного сравнения осциллограмм требуется разработать программу, позволяющую оперативно исследовать состояние обмоток силового трансформатора с учетом различных видов и степеней повреждений.

Была поставлена основная задача, заключающаяся в программной реализации цифровой обработки данных, полученных в результате диагностики состояния обмоток силового трансформатора методом наносекундных импульсов с целью эффективного контроля состояния трансформаторного оборудования. Контроль состояния будет осуществляться путем сравнения амплитудно-вре­менных характеристик исследуемой обмотки при наличии дефектов с так называемой нормограммой, снятой на «здоровом» трансформаторе.

Методы исследования

Для программной реализации цифровой обработки данных была применена среда Lab View [9–11]. Внешний вид интерфейса программы приведен на рисунке 1.

Окно интерфейса включает следующие элементы:

–      окна для выбора версии оцифровки осциллограмм, полученных с осциллографа;

–      окна для ввода обрабатываемой и эталонной осциллограмм;

–      окна для отображения исходных и обработанных амплитудных и временных численных данных осциллограмм;

–      окна для обработки осциллограмм, необходимой для уравнивания начального времени обрабатываемой осциллограммы относительно эталонной;

–      окна для внесения пути сохранения осциллограмм;

–      окна для работы с курсорами.

Обрабатываемые импульсы представляют собой сигналы-отклики, соответствующие переходному процессу, которые возникают в обмотках трансформатора как реакция на внешнее зондирующее воздействие.

На рисунке 2 представлена блок-схема разработанной программы в виде отдельных, связанных между собой блоков.

Блок-схема включает в себя блоки: открытия и считывания файла, очищения текста от ненужной части,  замены символов в строке, считывания файла в виде массива, разделения массива на строки, применения разности координат курсоров, обработки данных, объединения графиков, разности графиков, визуализации графиков, сохранения данных в формате *.txt (рис. 3).

На рисунке 3 отдельно представлен блок, позволяющий сохранить данные в текстовый файл с расширением *.txt. Если пользователю требуется дополнительная справочная информация об элементах блок-схемы, ему необходимо выбрать Help – Show Context Help. Затем курсор мыши подвести к необходимому элементу.

Результаты исследования

Рассмотрим высоковольтную обмотку, изготовленную из медного круглого проводника сечением 1,5 мм2, намотанного на изоляционный цилиндр диаметром 155 мм. Общее число витков катушки высоковольтной обмотки – 120, количество отпаек – 23 (рис. 4).

Эффективность разработанной программы продемонстрирована на примере двух импульсов, полученных на согласованной нагрузке [8].

Импульс бездефектного трансформатора, полученный при подключении на выходе генератора R=50 Ом, приведен на рисунке 5а (кривая 1). Данный импульс сравнивается с импульсом, полученным при коротком замыкании между собой отпаек 00-01-02-03-04-05 (15 витков) (рис. 5) и представленным на том же рисунке (кривая 2). Рассмотрим обработку импульса, полученного на «здоровом» трансформаторе (обрабатываемый импульс), относительно импульса, полученного на дефектном трансформаторе (эталонный импульс), так как осциллограмма 1 появляется позже, чем осциллограмма 2. Необходимо добавить строки (промежуток времени от начального времени осциллограммы 2 до начального времени осциллограммы 1) к обрабатываемой осциллограмме, чтобы уравнять начальное время обоих сигналов, а недостающие значения напряжения осциллограммы 1 принять равными «0».

Приведем описание работы с программой в среде разработки Lab View (рис. 5).

Условием работы программы, разработанной в этой среде, является одинаковый шаг дискретизации по времени обрабатываемых сигналов [12, 13]. В нашем случае он равен 4×10–10 нс (рис. 5б). Подсчитать шаг можно по формуле h = t11 – t12, где t11 – первый столбец первой строки исходных данных 1 (цифра 1, рис. 5б); t12 – первый столбец второй строки исходных данных 1 (цифра 2, рис. 5б). Аналогично осуществляются подсчеты для исходных данных 2. Необходимо внести коэффициент в окно «Шаг, с».

Для построения сигналов в среде Lab View требуется ввести исходные файлы с расширением *.csv в соответствующие окна программы и нажать кнопку пуск «Þ» (рис. 5а).

Далее можно приступать к обработке сигналов, чтобы сопоставить два сигнала между собой  и получить разность импульсов (рис. 5в). Например, требуется из одной осциллограммы вычесть другую, совместив начала резкого подъема на обеих осциллограммах. Корректно такую процедуру для приведенного примера можно провести только после уравнивания начальных значений осциллограмм, имеющих произвольный сдвиг относительно друг друга, и получать разность импульсов обработанных осциллограмм в отдельном окне.

Из рисунка 5б видно, что начальное время импульсов не совпадает (цифры 1 и 3). Чтобы уравнять начальное время, необходимо посчитать количество строк К, на которое требуется уравнять обрабатываемую осциллограмму относительно эталонной, и внести коэффициент в окно «Кол-во строк», рассчитанный по формуле , где t11 – первый столбец первой строки исходных данных 1; t21 – первый столбец первой строки исходных данных 2; h – шаг.

В нашем случае K = 110 (рис. 5б). Таким образом, сдвиг времени t0 = 44 нс.

В нашем случае из эталонного импульса вычли обрабатываемый импульс. Разность двух импульсов представлена на рисунке 5в.

Импульсы сигналов значительно отличались друг от друга визуально. На рисунке 5в видно, что амплитуда напряжений колеблется в пределах от –30 до 120 В.

Рассмотрим случай, когда визуальное отличие сигналов не так ощутимо, как в предыдущем примере. В качестве эталонного импульса (кривая 2, рис. 6а) примем осциллограмму, снятую на 3-м витке от отпайки № 00, а в качестве обрабатываемого импульса (кривая 1, рис. 6а) – осциллограмму, снятую на 6-м витке от отпайки № 00 (рис. 4). Начальное время обоих сигналов совпадало, поэтому можем приступить к исследованию разности импульсов (рис. 6б).

В результате получили, что амплитуда напряжений колеблется в пределах от –60 до 60 В.

Обработанные цифровые данные автоматически сохраняются после введения пути в соответствующие окна для сохранения осциллограмм.

Для сохранения графиков в протоколе испытаний необходимо подвести курсор мыши к графику «Сравнение импульсов» или «Разность импульсов» и правой кнопкой мыши выбрать Export – Export Simplified Image… В появившемся окне поставить галочку Save to file, выбрать путь для сохранения и назвать график, далее нажать Save.

Таким образом, в данной работе предложена программная реализация цифровой обработки осциллограмм в среде Lab View, позволяющая быстро обрабатывать экспериментальные данные, полученные с помощью осциллографов типа Tektronix, Agilent, Aktakom и аналогичных им. Разработанная программа позволит существенно повысить скорость обработки и сравнения осциллограмм при обследовании трансформаторов методом наносекундных импульсов. Представлена блок-схема программы с блоком для сохранения данных в формате *.txt.

Следует отметить, что программная реали- зация цифровой обработки данных силового трансформатора может послужить основой для создания универсальной программы с целью оперативного исследования различных режимов диагностики электротехнического оборудования.

Литература

1.     Souahlia S., Bacha K., Chaari A. MLP neural network-based decision for power transformers fault diagnosis using an improved combination of Rogers and Doernenburg ratios DGA // Electrical Power and Energy Systems. 2012, vol. 43, is. 1, pp. 1346–1353.

2.     Газивода С., Микулецки А. Диагностика силовых трансформаторов на месте // Энерго Info. 2011. № 1. C. 68–72.

3.     Chistyakov Yu., Kholodova E., Minin A., Zimmer- mann H., Knoll A. Modeling of Electric Power Transformer Using Complex-Valued Neural Networks. Energy Procedia. 2011, vol. 12, pp. 638–647.

4.     Ching Sun H., Chang Huang Y., Ming Huang C. Fault Diagnosis of Power Transformers Using Computational Intelli­gence: A Review. Energy Procedia. 2012, vol. 14, pp. 1226–1231.

5.     Васильева О.В., Лавринович А.В. Исследование коммутаторов для низковольтных наносекундных импульсов генератора с целью диагностики силовых трансформаторов // Фундаментальные исследования. 2013. № 8–4. C. 813–817.

6.     Lech W., Tyminski L. Detecting transformer winding damage by the Low Voltage Impulse method // Electrical Review (ERA Translation). 1966, vol. 179, no. 21, pp. 19–23.

7.     Лавринович В.А., Пичугина М.Т., Рамазанова А.Р. Применение наносекундных низковольтных импульсов для диагностики состояния обмоток силовых трансформаторов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. C. 292–294.

8.     Введенский Ю.В. Тиратронный генератор наносекундных импульсов с универсальным выходом // Изв. вузов СССР. Радиотехника. 1959. № 2. С. 249–251.

9.     Вавилов К.В., Шалыто А.А. Lab VIEW и SWITCH-технология // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. № 6. С. 43–45.

10.  Розкиданый М.С. Применение Lab View при реализации виртуальных измерительных устройств для обучения студентов дисциплине «Основы метрологии» // Молодой ученый. 2012. № 5. С. 60–62.

11.  Блюм П. Lab VIEW. Стиль программирования. М.: ДМК Пресс, 2008. 400 с.

12.  Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987. 600 с.

13.  Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970. 664 с.