твн / литература / Лисина,ТВН

Глава 4 . МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ

4.1Общие сведения

Профилактические испытания изоляции электрооборудования проводятся с целью своевременного выявления и устранения дефектов, возникающих в ней в процессе эксплуатации при старении изоляции, с целью обеспечения надежной работы. Профилактические испытания изоляции резко снижают аварии в энергосистемах из-за своевременного выявления дефектной изоляции.

Признаками старения изоляции являются: ухудшение электрических характеристик, понижение механической прочности, изменение структуры материала изоляции и обусловленное им растрескивание, увлажнение, загрязнение и пр. Процессы старения зависят не только от свойств материала изоляции, но и от условий эксплуатации, режимов работы и прочее.

Старение (деградация) изоляции. Имеются несколько основных причин для деградации изоляции:

Воздействие электрического напряжения (перенапряжение, удары молний, частичные разряды);

Тепловое напряжение (условия нагрузки);

Механическое усилие (вытягивание, изгиб, осадка фундамента);

Химическая коррозия (воздействие воды, соли, масла и загазованности);

Внешнее воздействие (загрязненная внешняя среда, доступ воды).

Процессы старения изоляции протекают по разному и чаще всего начинаются с проникновением в неѐ влаги. Влага, попавшая в изоляцию, может создать в ней проводящие каналы (так называемые водяные древовидные структуры в изоляции), приводящие к пробою или перекрытию изоляции. Чем тяжелее воздействия, тем быстрее разрушается изоляция. Например, при одновременном воздействии на изоляцию влаги, высокой температуры и механической нагрузки процесс старения изоляции может протекать с большей скоростью и создавать дефекты в изоляции, приводящие к еѐ разрушению.

Дефекты изоляции подразделяются на местные и распределѐнные. Местные дефекты появляются в изоляции в виде сосредоточенных трещин, воздушных включений, частичных увлажнений (только части объѐма изоляции). Распределѐнные дефекты охватывают большой объѐм или большую поверхность изоляции (увлажнение всей обмотки, загрязнение всей поверхности ввода и т.д.)

151

Таблица 4.1

Краткая характеристика основных методов профилактических испытаний изоляции

152

Последние два метода испытания повышенным напряжением могут привести испытываемую изоляцию к разрушению, а все остальные методы безопасны для неѐ (неразрушающие электрические методы испытаний) Это обстоятельство учитывается при выборе величин испытательных переменных и постоянных напряжений.

При профилактических испытаниях изоляции широко используются следующие установки и приборы:

1.установки высокого переменного напряжения промышленной частоты;

2.установки высокого постоянного (выпрямленного) напряжения с измерением токов утечки;

3.приборы измерения сопротивления изоляции;

4.мосты высокого напряжения переменного тока;

5.ваттметровые установки;

6.приборы для контроля влажности изоляции;

7.приборы для измерения частичных разрядов в изоляции;

8.осциллографы;

9.ультразвуковые установки.

10.тепловизоры

Профилактические испытания изоляции электрооборудования производятся обычно после отключения рабочего напряжения. В последнее время применяется контроль за состоянием изоляции без снятия рабочего напряжения под нагрузкой, что обеспечивает непрерывность контроля в процессе эксплуатации и бесперебойность электроснабжения потребителей.

4.2 Измерение сопротивления изоляции электрооборудования

Сопротивление изоляции является одним из важных показателей состояния изоляции электрооборудования. Измерение сопротивления изоляции производится специальным прибором - мегомметром. Измерение производится на обесточенном электрооборудовании. Мегомметры выпускаются на напряжение 500, 1000 и 2500В.

4.3Определение степени увлажнѐнности изоляции

Определение степени увлажнѐнности изоляции по ѐмкости и частоте.

Измеряя значение емкости изоляции при разных частотах переменного напряжения и сравнивая их, можно судить о степени увлажнения изоляции высоковольтного

153

оборудования. На практике этот метод нашел широкое распространение при профилактических испытаниях внутренней изоляции трансформаторов и вводов с бумажно-масляной изоляцией. Емкость измеряется при двух частотах (при f1 = 2 Гц и f2 = 50 Гц). На основании опыта эксплуатации было установлено, что для волокнистых органических материалов степень увлажнения является недопустимой (опасной), если отношение величин емкости изоляции при

Определение степени увлажнѐнности изоляции по коэффициенту абсорбции. О наличии влаги в изоляции трансформаторов, вводов, электрических машин можно также судить по величине коэффициента абсорбции

где R60, R15 – сопротивление изоляции, измеренное через 15 и 60 секунд, соответственно, с помощью мегаомметра типа МС-0,5 на 2,5 кВ.

Для увлажненной изоляции Кабс 1, т. к. во влажной изоляции поляризационные процессы сравнительно кратковременны и R60 < R15 .

В сухой изоляции процессы поляризации протекают более медленно, а поэтому R60 > R15 и Кабс > 1. Изоляция может эксплуатироваться, если Кабс 1,3. При этом одновременно производят оценку качества изоляции по нормируемому значению сопротивления утечки изоляции Rу(Rу = R60).

4.4Измерение диэлектрических потерь изоляции

Величина tg , определяющая диэлектрические потери в изоляции на переменном напряжении, является одной из самых распространенных характеристик, значение которой используется в качестве диагностического параметра для оценки состояния изоляционных изделий (наличие влаги,

загрязнений). По нормированному (допустимому) и измеренному значению tg при заданной температуре делается заключение о дальнейшей пригодности изоляции к работе. В эксплуатационных условиях для измерения tg используются переносные мосты переменного тока (мостов Шеринга), собранных по нормальной или перевернутой схеме

154

Измерение обычно проводится при напряжении до 10 кВ и f = 50 Гц. Нормы значения tg изоляции устанавливаются отдельно для каждого вида оборудования. Важно не только абсолютное значение tg , но и его стабильность во времени. Для оценки состояния изоляции маслонаполненного оборудования широко используется анализ пробы масла (исследуется электрическая прочность масла, степень окисления, кислотное число, влагосодержание, газосодержание).

Для оценки электрической прочности используется аппарат типа АИМ-90 со стандартной ячейкой, а анализ влаго- и газосодержания в масле осуществляется с помощью газовых хроматографов.

4.5 Профилактические испытания высоким напряжением

На заключительной стадии диагностики изоляции оборудования производят испытания высоким напряжением. Применение этого метода ограничивается возможностями создания транспортабельных источников высокого напряжения требуемой мощности и опасностью неконтролируемого повреждения изоляции высоким испытательным напряжением.

В настоящее время профилактические испытания высоким напряжением проводят для изоляции крупных вращающихся машин, кабельных линий, а также для оборудования до 10 кВ. Изоляция статорных обмоток турбо- и гидрогенераторов испытывается ежегодно переменным напряжением 1,5 UНОМ, а при более редком контроле - до 1,7 UНОМ. Допускается применение постоянного испытательного напряжения, значение которого должно быть в 1,6 раза выше испытательного напряжения промышленной частоты. Достоинствами постоянного испытательного напряжения являются существенно меньшая мощность испытательной установки, возможность измерений токов утечки, которые дают полезную информацию о состоянии изоляции, а также значительно меньшая, чем при переменном испытательном напряжении, опасность повреждения изоляции.

Изоляция кабельных линий испытывается практически только постоянным высоким напряжением.

Значение испытательного напряжения устанавливается по таблицам ПТЭЭП. Продолжительность приложения испытательного напряжения 1 мин.

155

4.6 Неразрушающие неэлектрические методы контроля

Среди многих возможных неэлектрических методов контроля (акустических, оптических, химических и др.) в настоящее время получили широкое применение и показали высокую эффективность методы контроля изоляции маслонаполненного оборудования, основанные на анализе проб масла. Эти методы применимы для многих видов оборудования: силовых и измерительных трансформаторов, шунтирующих реакторов, вводов высокого напряжения, маслонаполненных кабелей. Достоинство этих методов в том, что они не требуют вывода из работы проверяемого оборудования.

Для выявления достаточно грубых дефектов изоляции пробы масла подвергаются простому химическому анализу, определению электрической прочности и tgδ .

Наиболее совершенным является контроль по составу и концентрации газов, растворенных в масле. В этом случае из проверяемого трансформатора берут дветри пробы масла. Далее анализ газов из проб масла проводят методом газовой хроматографии: определяют концентрации водорода, метана, этилена, этана, ацетилена, окиси и двуокиси углерода и других. Установлено, что по составу и концентрациям газов, растворенных в масле, можно достаточно достоверно судить о характере дефекта, а по динамике изменения концентраций - о степени опасности этого дефекта. Особая ценность этого метода состоит в его высокой чувствительности: обнаруживаются газы с объемными концентрациями более 10-4. Благодаря этому дефекты могут быть выявлены на самых ранних стадиях.

4.7 Методы контроля изоляции при рабочем напряжении

Все рассмотренные ранее методы пригодны для организации только периодического контроля изоляции, эффективность которого значительно снижается при увеличении интервала времени между испытаниями, а сокращение этих интервалов времени ограничивается возможностями вывода оборудования из работы и ростом трудозатрат на проведение испытаний. В связи с этим большое внимание в последние годы уделяется разработке методов и аппаратуры для автоматического непрерывного контроля изоляции при рабочем напряжении. Основу этих методов составляют измерения диэлектрических характеристик (неравновесно-компенсационый, мостовой, ваттметровый методы) и регистрация ЧР (частичных разрядов).

156

4.8Методы непрерывного контроля изоляции

1.Контроль растворенных газов. Распространены две типичных модификации: измерение суммы характерных горючих газов (Н2+СО+С2Н4+С2Н2) типа HYDRAN-установлены более, чем на 15000 ед. оборудования; индивидуальный контроль 7 типичных газов; контроль влажности (относительной влажности масла), сопровождающийся экспертной системой оценки влажности твердой изоляции. Широкое развитие датчиков влажности. Значительный интерес вызывает метод "Water Heat Run Test", разработанный ЗТЗ-Сервис.

2.Измерение частичных разрядов акустическими датчиками.

3.Измерение частичных разрядов с помощью электрических датчиков как с целью выявления и идентификации проблем, связанных с внутренними разрядами, так и для оценки ухудшения состояния изоляции. Имеются предложения по комбинированной системе с дополнительным использованием акустических датчиков.

4.Измерение диэлектрических характеристик вводов, в том числе основанного на анализе амплитудно-фазового спектра тока небаланса в трехфазной системе.

5.Анализ вибро-акустических спектров для оценки распрессовки обмоток и магнитопровода.

6.Контроль состояния РПН с помощью измерения тока и мощности в двигателе привода, измерения момента сопротивления на валу привода, измерения акустических сигналов.

4.9Методы испытания и диагностики кабельных линий с изоляцией из

шитого полиэтилена

Кабельные линии непосредственно после их сооружения и в процессе эксплуатации подвергаются разнообразным испытаниям, с помощью которых выявляются ослабленные места или дефекты в изоляции и защитных оболочках кабелей, в соединительной и концевой арматуре и других элементах кабельных линий. Для обеспечения надежной работы силовых кабельных линий (КЛ) в настоящее время в России применяется система планово-профилактических испытаний, при которой кабели периодически подвергаются испытаниям постоянным напряжением достаточно высокого уровня (в 4 6 раз превышающим рабочее напряжение КЛ) с измерением токов утечки. Практика показывает, что данные испытания повышенным постоянным напряжением, даже в случае их успешности, не только не гарантируют безаварийную последующую работу КЛ, но

157

и во многих случаях приводят к сокращению срока службы КЛ. Особенно опасны такие испытания для КЛ с длительными сроками эксплуатации или с сильно состаренной изоляцией. Кроме того, испытания повышенным постоянным напряжением силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели), которые ввиду своих высоких эксплуатационных характеристик находят всѐ более широкое применение в России, не только не эффективны, так как сшитый полиэтилен обладает высокой электрической прочностью и малыми токами утечки, но и оказывают негативное воздействие на полиэтиленовую изоляцию. Применительно к силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена, согласно международным нормам, гораздо более эффективным и экономичным является метод испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц, которое по величине не должно превышать номинальное напряжение (U0) КЛ более чем в 3 раза

(U 0 U РАБ / 3 )

согласно МЭК 60502 и DIN VDE 0276. Испытания при очень низких частотах со сменой полярности позволяют выявлять дефекты в изоляции без формирования объемных зарядов в структуре полиэтиленовой изоляции в отличие от того, как это происходит при приложении постоянного напряжения. Поэтому кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, согласно действующим международным стандартам, испытываются исключительно напряжением сверхнизкой частоты.

При испытаниях силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией применение этого метода позволяет в значительной степени уменьшить испытательное напряжение по сравнению с испытаниями постоянным напряжением.

Для повышения надежности электроснабжения за счет уменьшения количества аварийных ситуаций и для исключения затрат на проведение необоснованных ремонтов КЛ гораздо более предпочтительным является применение неразрушающих методов диагностики силовых КЛ. Из разработанных методов можно выделить следующие неразрушающие методы диагностики силовых КЛ напряжением до 35 кВ:

метод измерения и локации частичных разрядов в силовых КЛ (с использованием диагностической системы );

метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции силовых кабелей (с использованием диагностических систем CD 31 и CDS);

158

метод измерения тока релаксации в изоляции СПЭ-кабелей (с использованием диагностических систем CDS);

метод измерения диэлектрических характеристик изоляции кабелей (с использованием диагностических систем.);

метод контроля целостности оболочки силовых кабелей и определения мест неисправности в оболочках (с использованием приборов MFM 5-1, MVG 5 и

др.).

Всиловых КЛ напряжением до 35 кВ включительно основными причинами снижения электрической прочности изоляции в процессе длительной эксплуатации (т. е. старения изоляции) являются воздействия частичных разрядов (ЧР) и повышенных температур. Физические процессы в изоляции силовых кабелей под воздействием ЧР (т. е. микроразрядов, возникающих в местах неоднородности изоляции при воздействии рабочего напряжения) к настоящему времени изучены достаточно хорошо. Разработаны и различные методы измерения характеристик ЧР

всиловых КЛ, которые реализованы в отечественных и зарубежных приборах и установках различных конструкций. Своевременная и достоверная диагностика состояния изоляции силовых КЛ с использованием неразрушающих методов позволит отказаться от профилактических испытаний изоляции разрушающими методами, которые во многих случаях повреждают изоляцию и приводят к снижению остаточного ресурса изоляции силовых КЛ. Испытание изоляции силовых КЛ повышенным напряжением целесообразно проводить при вводе новых КЛ в эксплуатацию, после ремонта КЛ, а также при отсутствии возможности применения средств технической диагностики силовых КЛ неразрушающими методами.

4.10Испытания силовых трансформаторов

Силовые трансформаторы являются одним из значимых и капиталоемких элементов энергосистем. Надежность работы электрических сетей, электростанций и энергосистем в значительной степени зависит от надежности работы силовых трансформаторов и автотрансформаторов, эксплуатируемых на электростанциях и в электрических сетях, значительное количество которых на энергопредприятиях России отработали установленный стандартом ГОСТ 11677-85 срок службы 25 лет. В целом более 40 % силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, эксплуатируемых на энергопредприятиях России, находятся в эксплуатации более 25 лет. Фактически во многих энергосистемах более половины трансформаторного парка находится в эксплуатации более 25 30 лет.

159

Продолжение эксплуатации после предполагаемого расчетного срока службы является общемировой тенденцией. В настоящее время практически во всех странах все более интенсивно рассматривается вопрос о продлении срока службы установленного парка трансформаторов. Так, например, основываясь на опыте ремонта трансформаторов электросетевых компаний Германии, следует отметить, что во многих случаях состояние активной части трансформаторов было удовлетворительным и не требовало замены обмоток даже при сроках эксплуатации более 40 лет, что в основном обусловлено сравнительно низким уровнем нагрузки в течение срока эксплуатации. Старение целлюлозной изоляции блочных трансформаторов, а также трансформаторов промышленных предприятий, являющееся одним из важнейших факторов при принятии решения о продлении эксплуатации, выводе на ремонт и (или) замене, происходит, в отличие от сетевых трансформаторов, зачастую значительно интенсивнее.

Продолжение эксплуатации парка трансформаторов при их удельной повреждаемости более 3 % экономически нецелесообразно. На основании ориентировочных статистических данных, критическое увеличение числа отказов генераторных трансформаторов имеет место после 35 лет, а сетевых трансформаторов - после 45 лет эксплуатации.

Обследование силовых трансформаторов можно производить с выводом в ремонт и без вывода в ремонт (непрерывный метод диагностики) 1 .

Обследование силовых трансформаторов с выводом в ремонт производят методами электрических и химических испытаний 1 .

Вперечень обязательных электрических испытаний согласно входят 1 :

-измерение сопротивления изоляции всех обмоток и определение коэффициента абсорбции;

-измерение диэлектрических потерь и ѐмкости изоляции обмоток;

-определение пробивного напряжения трансформаторного масла;

-определение тангенса угла диэлектрических потерь жидкого диэлектрика;

-определение сопротивления обмоток постоянному току на всех ответвлениях переключающего устройства или ПБВ;

-измерение тока и потерь холостого хода при малом однофазном возбуждении;

-определение полного сопротивления короткого замыкания (для силовых трансформаторов мощностью 125 MB-А и более);

-определение коэффициента трансформации обмоток;

-измерение сопротивления изоляции высоковольтных вводов, определение коэффициента абсорбции;

-измерение диэлектрических потерь и ѐмкости изоляции высоковольтных вводов;

160