1. Общие сведения

Наиболее дорогостоящим и ответственным оборудованием электрической системы являются силовые и измерительные трансформаторы.

Ориентировочные статистические данные по причинам повреждения трансформаторов выглядят следующим образом:

• упущения эксплуатации (течи и упуск масла) -30%,

• дефекты маслонаполненных вводов -30%,

• дефекты регулирующих устройств РПН, ПБВ - 20%,

• повреждения обмотки -13-16% (в основном увлажнение, распрессовка, деформация обмоток),

• повреждения и дефекты магнитной системы - 4%.

Опыт обследования трансформаторов показывает, что примерно 60%-70% дефектов могут быть выявлены без отключения трансформатора от сети.

Основная причина повреждения герметичных трансформаторных вводов - конструктивные недостатки. Одним из общих дефектов герметичных вводов всех типов является неисправность сильфонов в компенсаторах давления.

Основная причина повреждений в устройствах РПН - нарушение контактов, приводящее к искрению и подгару, а также механические неисправности из-за износа узлов кинематики.

Основные причины повреждений в магнитной системе - перегрев сердечника при возникновении к.з. контуров, нарушение контакта заземления магнитопровода, старение железа магнитопровода (нарушение межлистовой изоляции).

Основной причиной отказов трансформаторов тока является повреждение главной изоляции из-за ее увлажнения, старения, а также вследствие воздействия на нее частичных разрядов (ЧР).

Основными причинами повреждений ТН являются: процессы увлажнения изоляции, а также нарушения во вторичных цепях и повреждения стали ТН.

Главная особенность изоляции силовых трансформаторов и маслонаполненного оборудования - использование бумажно-масляной изоляции с охлаждением циркулирующим маслом в баке, защищенным от воздуха системой дыхания.

Масло имеет непосредственный контакт с магнитопроводом, обмоткой, изоляцией, поэтому анализ масла позволяет выявлять до 70 % вероятных дефектов в трансформаторном оборудовании [4].

Главная изоляция силовых трансформаторов маслобарьерного типа состоит из чередующихся барьеров, электрокартона и масляных каналов. Электрическая прочность масляного канала зависит от ширины канала и влажности масла. Барьеры, дистанцирующие рейки и прокладки, образуют систему вертикальных и горизонтальных каналов, по которым циркулирует масло. В маслобарьерной изоляции при воздействии переменного и импульсного напряжения наиболее нагруженными оказываются прослойки масла. Напряженность электрического поля в масле примерно в 1,5-1,8 раза выше по сравнению с картоном, при этом электрическая прочность масла в 3-4 раза меньше прочности пропитанного электрокартона. Поэтому нарушение электрической прочности начинается с пробоя масляного канала, не приводящего в первые моменты времени к полному пробою изоляции. Электрическая прочность масла зависит от наличия механических примесей, влаги (особенно в виде эмульсии) и пузырьков газа, которые в электрическом поле выстраиваются вдоль силовых линий, образуя «мостики». Увлажнение изоляции и наличие кислорода (воздуха) являются мощными катализирующими факторами, ускоряющими процесс термохимического старения изоляции. Вода в масле – "главный враг" изоляции она оказывает отрицательное влияние на все электрические характеристики изоляционной системы [2].

Влага в масле может существовать в трех основных состояниях: растворенная, эмульгированная, слоевая. Растворенная влага представляет собой молекулы воды, расположенные между молекулами масла. Растворенная влага практически не влияет на его электрические и физико-химические свойства. Растворимость воды в масле зависит от химического состава и температуры и составляет 20-30 г/т при температурах близких к 20^○С. Эмульгированная влага представляет собой взвесь мельчайших капель воды в масле и существенно снижает электроизоляционные свойства масла. С течением времени отдельные капли сливаются в более крупные, и скапливаясь на дне бака, образуют слоевую влагу. Чаще всего эмульгированная влага образуется в масле с высоким влагосодержанием при быстром снижении его температуры за счет снижения растворимости. Появление в масле эмульгированной влаги приводит к увеличению тангенса потерь и снижению электрической прочности более чем в 4 раза. Слоевая влага представляет собой слой воды на дне бака с маслом. Слоевая влага образуется:

• при конденсации влаги на более холодных стенках бака, постепенном ее накоплении и стекании по стенкам на дно,

• в результате слияния эмульгированной влаги в более крупные капли и их накопления в нижней части бака,

• при нарушении уплотнения бака и попадания воды внутрь при атмосферных осадках.

Слоевая влага опасна, главным образом, риском возникновения ее контакта с целлюлозной изоляцией и деревянными рейками и образованием "фитильного" эффекта.

В целлюлозе влага находится в растворенном состоянии, т.к. структура материала представляет собой микропористую волокнистую систему, в которой длинные молекулы образуют волокна длинной до нескольких сотен микрон. По мере увеличения влажности целлюлозы, молекулы воды сначала растворяются внутри молекул целлюлозы, образуя межмолекулярные связи, а затем (при повышении влажности свыше 4 -5%) начинает преобладать растворение влаги в микропорах. Это обстоятельство обуславливает превышение предельно допустимого увлажнения изоляции, составляющего 4%.

Твердая изоляция с повышенным содержанием влаги представляет опасность по следующим причинам:

• вследствие электролиза воды возможно образование пузырьков водорода, кислорода и пара,

• увеличиваются диэлектрические потери в изоляции и возникает опасность теплового пробоя.

Процесс увлажнения внутренней изоляции маслонаполненного оборудования происходит в некоторых случаях при нарушении герметичности, но главным образом из-за контакта масла с атмосферным воздухом в системе "дыхания". Влага из воздушной подушки надмасляного пространства в расширителе проникает в трансформаторное масло (при плохой работе воздухоосушителей влажность воздуха может достигать 60-80%), а затем из масла в твердую изоляцию (бумагу, картон). Процесс увлажнения происходит до тех пор, пока не произойдет насыщение твердой изоляции до уровня 4-10 % (в зависимости от температуры изоляции).

Количественная оценка влагосодержания твердой изоляции в условиях эксплуатации затруднена. Поэтому очень важен постоянный контроль за влажностью масла. Норма влагосодержания свежих трансформаторных масел составляет 10 Г/Т, а предельно допустимые значения - 25 – 30 Г/Т. Если в процессе эксплуатации или ремонта происходит увлажнение изоляции трансформатора, необходима подсушка или сушка изоляции.

Трансформаторное масло представляет собой сложный состав насышенных углеводородов (парафины и нафтены - до 85%) и ароматических углеводородов (до 15%). Состав масла зависит от месторождения нефти, из которой оно получено, и технологии производства.

В процессе старения масла в нем, кроме газообразных продуктов, образуются гидроперекиси, низкомолекулярные кислоты, фенолы и тяжелые продукты, образующие нерастворимые осадки - шлам. Процесс старения происходит при повышенных температурах за счет совместного воздействия молекулярного кислорода воздуха, воды и электрического поля. Для снижения скорости старения масла максимальная рабочая температура масла в силовом трансформаторе не должна превышать 85 С.

В первом приближении можно считать, что основу масла составляет мономолекула (СН2)n. Любое внутреннее повреждение изоляции в виде локального электрического разряда (частичный разряд) или локальный нагрев ("горячая точка") приводят к выделению тепла и при температуре, превышающей 250-300С, - крекингу (разложению масла на более легкие фракции.

Схематично процесс крекинга масла можно иллюстрировать следующим образом (рис.1) [4].

T> 500 С

Т700 С

С₂Н₂ + Н₂

Рисунок 1 - Схема разложения трансформаторного масла (крекинга)

Как видно из схемы, основными продуктами разложения масла под действием термохимического процесса являются газы: Н₂ - водород, СН₄- метан, С₂Н₄ - этилен, С₂Н₆- этан, С₂Н₂- ацетилен, СО - оксид углерода.

Разложение масла начинается с появления Н₂, СН₄, а затем и С₂Н₆ при температурах более 300С, характеризующих электрические разряды и горячую точку относительно невысоких энергий. С₂Н₂ и С₂Н₄ - так называемые газы второго порядка, которые характерны для электрических разрядов высокой энергии (искра, дуга) и горячей точки высокой температуры (более 600 С).

У нормально работающих трансформаторов существует "естественный фон" газов, который называют "граничными концентрациями". Такой фон у каждого аппарата индивидуален и зависит от конструкции, системы охлаждения, температурного режима, напряжения, мощности и т.д. Статистическая обработка естественных фонов нормально работающих трансформаторов позволяет классифицировать "граничные концентрации" по типам оборудования, величине номинального напряжения и т.д.

Твердая изоляция на основе целлюлозы (бумага, электрокартон) представляет собой мономолекулу, в основе которой лежат глюкозидные кольца (Глюкозидные остатки). Упрощенная формула целлюлозы (С₆Н₁₀О₅)n, где n - степень полимеризации (число глюкозидных колец в мономолекуле). Для новой бумаги степень полимеризации 1500-2000.

При температуре до 150С целлюлоза не разлагается, но при температуре 200-400С происходит разрушение молекулы с выделением так называемых фурановых соединений и газов (Н₂, СО, СО₂) и воды [2].

Фрагмент разрушения химической формулы целлюлозы имеет вид:

СН2ОН ОН ОН

О СН О О СН СН

СН СН СН СН

СН СН СН О

ОН ОН СН2ОН

Тепловое и эл. поле фурфуроловый спирт –С₅Н₉О₄ Кислород,Н₂О

и другие фурановые

соединения, СО,СО₂, Н₂О

Рисунок 2 - Фрагмент разрушения химической формулы целлюлозы.

При старении бумаги мономолекулы разрываются на более короткие. При этом степень полимеризации снижается до 500-600^○С . Снижение степени полимеризации сопровождается изменением физико-механических характеристик (потеря эластичности, усадка, потемнение бумаги), потерей электрической прочности и ослаблением конструкции в целом. Поэтому повышенное содержание оксида и диоксида углерода свидетельствует о том, что дефектом затронута твердая изоляция. Влагосодержание целлюлозы, как результат только термохимического разложения бумаги, может достигать 2-2,5% при норме 3-4%.

Таким образом, по концентрациям продуктов разложения масла и бумаги можно косвенно судить о состоянии трансформатора.

Следует особо отметить, что в процессе дегидратации целлюлозы происходит выделение воды (до 3-6% массы) и местное увеличение концентрации влаги. При этом возможен разогрев участка диэлектрическими потерями, прогарание изоляции с образованием витковых замыканий и развитием повреждения в к.з.. Снижение степени полимеризации до 250 единиц приводит к четырехкратному снижению механической прочности бумажной изоляции и возрастанию риска повреждения трансформатора из-за возникновения витковых замыканий.