Введение
В настоящее время в России и странах ближнего зарубежья значительная часть силовых трансформаторов 35 кВ и выше отработала нормативный срок службы. Поэтому для поддержания требуемой эксплуатационной надежности трансформаторов очень важным является диагностический контроль и при необходимости проведение капитальных ремонтов. В случае несвоевременного ремонта возможен внезапный выход из строя трансформатора, что часто приводит к аварии с тяжелыми техническими и экономическими последствиями. Даже при очень небольших механических перемещениях в обмотках могут существенно меняться емкости отдельных витков обмотки друг относительно друга, а при существенных деформациях – и индуктивности деформированных витков. Это приводит к изменению собственных частот колебаний контуров, образованных отдельными витками, что проявляется в осциллограммах-откликах при диагностике обмоток импульсами наносекундной длительности [2].
Известен метод диагностики состояния обмоток силовых трансформаторов низковольтными импульсами микросекундной длительности, предложенный в 1966 г. [7]. В случае сдвига витков относительно друг друга, замыкания между отдельными витками, «выпучивания» витков в радиальном направлении, присоединения витков к корпусу трансформатора и т.п. импульс отклика меняется, что и позволяет судить о механическом состоянии обмоток [6].
В связи с этим встала задача разработать программу цифровой обработки данных, полученных при обследовании силового трансформатора методом наносекундных импульсов, с целью объективно выявлять отличия между импульсом-нормограммой и импульсом-откликом.
Методика
Для обработки экспериментальных данных и объективного сравнения получаемых импульсов между собой нами была применена программа Lab View [1]. Внешний вид интерфейса программы для обработки данных с осциллографа приведен на рис. 1.
В состав окна интерфейса входят следующие элементы:
- окно для выбора версии оцифровки осциллограмм, полученных с осциллографа типа Тектроникс (по умолчанию задана наиболее распространенная версия оцифровки осциллограмм с цифрами 22.01);
- окно для ввода осциллограмм из файла *.csv (Excel);
- окно для отображения исходных численных данных осциллограмм (времени и напряжения);
- окно для ввода шага по времени в секундах;
- окно для ввода количества строк, необходимых для уравнивания по времени обрабатываемой осциллограммы относительно эталонной;
- окно для отображения времени в наносекундах, на которое необходимо уравнять обрабатываемую осциллограмму;
- окно для отображения обработанных численных данных осциллограмм (времени и напряжения);
- окно для внесения пути сохранения осциллограмм;
- окно для ввода координаты курсора;
- окно, отображающее разницу координат курсоров.
Рис. 1. Вид интерфейса программы «Считывание с осциллографа»
Обрабатываемые импульсы представляют собой сигналы-отклики, соответствующие переходному процессу, которые возникают в обмотках как реакция на воздействие зондирующего импульса.
Суть работы программы состоит в сравнении в виде разности амплитудно-временных характеристик обмотки с так называемой нормограммой, снятой на «здоровом» трансформаторе.
Характер изменения импульса-отклика зависит от величины и характера деформаций.
Экспериментальная часть
Эффективность разработанной программы продемонстрирована в сравнении с программой MathCAD (рис. 2а, 3а) на примере двух импульсов, полученных на согласованной нагрузке на выходе генератора [3].
Приведем описание работы с программами в двух средах разработки Lab View (рис. 2б, рис. 3б) и MathCAD [4; 5].
а 
б 
Рис. 2. Осциллограммы для обработки: а) в среде MathCAD; б) в среде Lab View
Для того чтобы построить сигналы в среде MathCAD, цифровые данные из документа Excel необходимо скопировать в текстовый документ *txt. Перед этим в документе Excel все «,» нужно заменить на « » с помощью ctrl+F. Далее открыть документ MathCAD и построить графики сигналов (рис. 2а).
Для того чтобы построить сигналы в среде Lab View, необходимо ввести исходные файлы Excel в соответствующие окна программы и нажать кнопку «Пуск» (рис. 2б).
Далее можно приступать к обработке сигналов, чтобы сопоставить два сигнала между собой в виде разности импульсов (рис. 3).
а 
б 
Рис. 3. Результат разности двух импульсов: а) в среде MathCAD; б) в среде Lab View
Недостаток программы MathCAD для данной обработки в том, что необходимо дополнительно обработать данные текстового документа *txt, а именно уравнять начальное и конечное время обоих сигналов, где значения напряжений в добавленных строках принять равным «0». Причем требуется это делать вручную, что является весьма неудобным, если, например, требуется уравнять большое количество строк.
В нашем примере начальное время первого сигнала равно 
, а второго – 
, соответственно конечное время первого сигнала равно 
, а второго – 
. Количество строк одинаково для обоих сигналов и равно 
. Следовательно, чтобы вычесть два сигнала и посмотреть разность, необходимо к первому сигналу добавить начальное время 
, а ко второму сигналу – конечное время 
через равный шаг по времени 
, рассчитанный по формуле (1):
, (1)
где 
- время второй строки сигнала 1, 
- время первой строки сигнала 1.
Результат разности двух импульсов представлен на рисунке 3а.
В разработанной программе в поле «Канал № 1» требуется внести обрабатываемую осциллограмму, то есть тот импульс, который имеет более позднее начальное время (например, , а эталонной осциллограммой будет являться осциллограмма с временем ). В среде Lab View требуется уравнять только начальное время обоих сигналов. Для этого необходимо ввести шаг 
в окно «Шаг, с», рассчитанный по формуле (1). Далее необходимо посчитать количество строк К, на которое требуется уравнять обрабатываемую осциллограмму относительно эталонной, и внести коэффициент в окно «Кол-во строк», рассчитанный по формуле (2):
. (2)
В нашем случае 
.
То есть необходимо взять разность по времени первых строк обрабатываемой осциллограммы и эталонной, затем поделить на шаг. Далее нажимаем на кнопку Пуск «
» для запуска программы и видим сдвиг времени в наносекундах, в нашем случае 
нс.
Теперь обе осциллограммы имеют одинаковое начальное время, и мы можем посмотреть разность двух сигналов. Результат разности двух импульсов представлен на рисунке 3б.
После обработки цифровые данные сохраняются автоматически после введения пути в соответствующие окна для сохранения осциллограмм.
Для того чтобы сохранить графики в протокол 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.
Видно существенное отличие между формой импульса-отклика «здорового» трансформатора и трансформатора с замкнутыми витками. Следует отметить, что чем дальше дефект находится от начала обмотки трансформатора, тем труднее его идентифицировать. В нашем случае дефект имитирован практически в самом конце обмотки.
Результаты
Предложена программа цифровой обработки результатов диагностики силового трансформатора в среде Lab View, позволяющая быстро обрабатывать экспериментальные данные, полученные на согласованной нагрузке на выходе генератора, сравнивать амплитудно-частотные характеристики обмотки с нормограммой в виде разности сигналов и судить о механическом состоянии обмоток исследуемых трансформаторов. Таким образом, разработанная программа позволит существенно повысить скорость обработки и сравнения осциллограмм при обследовании трансформаторов методом наносекундных импульсов.
Рецензенты:
Букреев В.Г., д.т.н., профессор кафедры ЭПЭО ЭНИН ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск.
Курец В.И., д.т.н., профессор кафедры ЭСиЭ ЭНИН ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск.