Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы оценки технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов. Монография.pdf
Методы оценки технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов
схема замещения, состоящая из четырех ветвей, которая определяет основные характеристики диэлектрика [34].
Так, например, ветвь с емкостью С
кость конструкции, а ветвь с абсорбционной емкостью С
определяет геометрическую ем-
г
и сопротивле-
абс
нием R, характеризующая степень неоднородности диэлектрика (наличие
расслоений, увлажнения, загрязнения и т. п.), – диэлектрические потери
в изоляции при переменном напряжении. Третья ветвь, имеющая сопротивление R
, определяет сквозной ток проводимости или сопротивление
пр
изоляции постоянному току. Четвертая, последняя, ветвь с искровым промежутком S представляет собой разрядное (по поверхности) или пробивное (по толщине) напряжение изоляции.
Рис. 1.2. Схема классификации изоляции
силового масляного трансформатора
31
Глава 1
С
абс
Рис. 1.3. Эквивалентная схема замещения изоляции:
Сг – геометрическая емкость изоляции; С
сорбционная ветвь изоляции; Rпр – сопротивление
сквозному току проводимости; S – эквивалентный
искровой промежуток, характеризующий электрическую прочность; iпр, i
, iг – токи в соответствующих
абс
ветвях схемы
и R – аб-
абс
Перечисленные параметры схемы замещения характеризуют состояние изоляции. Для оценки состояния изоляции трансформатора в условиях
производства на заводе применяют следующие методы испытаний:
измерение сопротивления изоляции обмоток под напряжением по-
стоянного тока;
измерение тангенса угла диэлектрических потерь;
испытание пробы трансформаторного масла;
испытание электрической прочности изоляции обмоток напряже-
нием промышленной частоты.
Результаты этих испытаний в процессе производства используют для
проверки технологических режимов обработки изоляции (сушка, пропитка), а также после окончательной сборки трансформатора перед испытанием прочности изоляции обмоток напряжением промышленной частоты;
эти испытания являются исходными данными при оценке состояния изоляции на
монтаже перед вводом его в эксплуатацию [71].
Как уже отмечалось, техноценологический подход позволит более
гибко и корректно сделать выводы о состоянии изоляции при проведении
контроля.
Рассмотрим основные изоляционные материалы и их свойства.
В современных трансформаторах применяется твердая изоляция в сочетании с изоляционным маслом. Твердая изоляция используется в качестве
32
Методы оценки технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов
покрытия или изоляции токоведущих частей, а также в качестве перегородок (барьеров). Основными твердыми изоляционными материалами внутренней изоляции в современных трансформаторах являются волокнистые
материалы из целлюлозы. К числу этих материалов относятся:
кабельная бумага;
электроизоляционный картон;
бумажно-бакелитовые изделия.
Свойства изоляционных материалов, применяемых при изготовлении
трансформатора, оказывают существенное влияние на характеристики его
изоляции.
Из факторов, влияющих на характеристики изоляции трансформатора, можно выделить следующие:
избыточная влага, оставшаяся в изоляции при некачественной
сушке трансформатора;
остатки растворителя пропиточного лака (обмотки масляных
трансформаторов пропитывают лаком для увеличения их механической
прочности), не удаленного при «запекании» пропитанных обмоток или при
сушке трансформатора;
воздушные или газовые включения в изоляции, оставшиеся при
заполнении трансформатора маслом;
загрязнение посторонними механическими примесями (например,
волокнами) твердой и жидкой изоляции.
Увлажнение твердой волокнистой изоляции, например картона или
бумаги, при воздействии электрического поля вызывает в ней возрастание
диэлектрических потерь, что может быть определено измерением тангенса
угла диэлектрических потерь tg δ. Также с увеличением влаги в твердой изоляции (бумага, картон) снижается и сопротивление
изоляции R60.
Существенное значение для качества изоляции обмоток, пропитанных лаками, имеют полное удаление из лака растворителей и хорошая полимеризация, т. е. запекание лака после пропитки. Недостаточное удаление
растворителей или неполная полимеризация лака после пропитки повышает диэлектрические потери и снижает сопротивление изоляции обмоток,
а также вызывает ускоренное окисление и старение
изоляционного масла.
Содержание влаги в трансформаторном масле существенно влияет на
его электрические характеристики. Присутствие в масле воды в растворенном состоянии приводит к повышению диэлектрических потерь, при мелкодисперсном состоянии (осаждается на дне сосуда или на взвешенных
механических примесях) становится причиной резкого снижения пробивного напряжения.
Наличие в масле молекулярно растворенной
воды при отсутствии
механических примесей (например, волокон) мало сказывается на электри-
33
Глава 1
ческой прочности и величине диэлектрических потерь. Присутствие же
механических примесей способствует переходу растворенной в масле воды
в дисперсированное состояние и вызывает этим снижение пробивного напряжения масла.
Воздушные или газовые включения в бумажно-масляной изоляции
трансформатора являются вредными и могут оставаться в изоляции при
заполнении трансформатора маслом. При воздействии электрического по
-
ля на изоляцию в местах скопления воздушных (газовых) пузырьков, например между слоями бумажной изоляции, возникает корона, т. е. слабые
частичные разряды, которые повреждают изоляцию. Поэтому трансформаторы заполняют дегазированным маслом под вакуумом или применяют
другие меры (прогрев трансформатора для удаления воздушных включений из лабиринтов изоляции и пр.).
Измерение
сопротивления изоляции обмоток при эксплуатаци-
онных испытаниях производят при помощи мегаомметра на 2 500 В. Ме-
гаомметр состоит из источника постоянного тока, измерительного прибора
логометрической системы, работающего на принципе сравнения напряжений, и необходимых добавочных сопротивлений.
Измерение сопротивления изоляции R
для трансформаторов на-
60
пряжением 220–750 кВ производится при температуре изоляции не ниже
200 С. В случае необходимости прогрев трансформатора выполняют, ру-
ководствуясь инструкцией по прогреву. За температуру изоляции трансформатора принимается:
для трансформатора, не подвергшегося нагреву, – температура
верхних слоев масла;
для подвергшегося нагреву – температура обмотки ВН фазы В, оп-
ределяемая по сопротивлению обмотки постоянному току.
Измерение указанного сопротивления производится не ранее чем через 30 мин после отключения внешнего нагрева (нагрев индукционным методом) или через 60 мин после отключения нагрева током в обмотке (нагрев током короткого замыкания, потерями холостого хода или
постоян-
ным током) [72, 172, 208].
Температуру определяют по формуле
R
tt
x
x
235 235
R
0
0
(1.1)
,
где R0 – сопротивление обмотки постоянному току, измеренное на предприятии-изготовителе при температуре t
, С; R
0
сопротивления обмоток постоянному току при температуре t
– измеренное значение
x
.
x
Показания мегаомметра фиксируют через 60 с после приложения напряжения к изоляции обмотки.
34
Методы оценки технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов
Измерение характеристик производят по схемам, указанным в паспорте трансформатора. При измерении все выводы обмоток одного напряжения соединяют между собой, остальные обмотки и бак трансформатора
заземляют.
Все значения R
, которые используются в наших исследованиях,
60
приведены к температуре +320 С с помощью коэффициента пересчета.
На результаты измерения сопротивления изоляции могут влиять различные факторы. Перед началом каждого измерения и при повторных измерениях испытываемую обмотку трансформатора заземляют не менее чем
на 2 мин для снятия абсорбционного заряда.
Для предотвращения поверхностных токов
утечки поверхность вводов
трансформатора следует очистить от загрязнений и насухо протереть [3].
Измерение рекомендуется проводить одним и тем же прибором или,
по крайней мере, прибором одного и того же типа. Это обусловлено тем, что
в ряде конструкций мегаомметров последовательно с образцовым резистором в цепи измерителя тока включен ограничивающий резистор. Как след
-
ствие, у мегаомметров разных конструкций выходные сопротивления оказываются разными, что приводит к несовпадению результатов измерения.
Сопротивление изоляции зависит от ее температуры. При повышении температуры сопротивление изоляции уменьшается, что объясняется
наличием в изоляции свободных ионов, ионов электролитического типа
и явлением абсорбции диэлектрика.
Если при измерении на масляном трансформаторе температуры
твердой изоляции и масла отличаются между собой хотя бы на несколько
градусов, то за счет явлений поляризации на пограничных слоях разнородных диэлектриков измерения могут дать заниженное значение сопротивления изоляции. Поэтому измерения сопротивления изоляции нагретого
трансформатора должны производиться после выравнивания температур
обмоток и масла.
Сопротивление изоляции падает при ее увлажнении
. Величина сопротивления зависит от размеров и состояния поверхности изоляции. Она
резко снижается при поверхностном увлажнении (отпотевании) или загрязнении между электродами. Поэтому отпотевание или загрязнение вводов трансформатора может дать при измерении заниженные результаты.
После пропитки или заполнения сухим маслом сопротивление изо-
ляции обмоток заведомо высушенного трансформатора снижается в
несколько раз. Наряду с этим измерения без масла на невысушенном или не
сильно увлажненном трансформаторе могут дать сравнительно высокие
значения сопротивления изоляции. Поэтому измерения без масла не могут
в полной мере характеризовать общую увлажненность изоляции масляного
трансформатора.
35
Глава 1
1.4. Системный подход к оценке состояния
силовых маслонаполненных трансформаторов
Описание множества элементов с целью прогнозирования параметров состояния силовых трансформаторов требует теоретического подхода,
основанного в большей степени на системных исследованиях, чем на законах классической электротехники.
Совокупность объектов, рассматриваемая в данной работе, относится
к категории искусственных систем (систем, созданных человеком), которые взаимно связаны общими целями и режимами работы,
для нее. Эта система эргатическая, т. е. управляемая при решающем участии человека [10].
Методологической основой для системного подхода к описанию
объектов является общая кибернетическая теория систем. Термин «общая
теория систем» впервые был введен Людвигом Берталанфи в 1951 году
в его статье «Общая теория систем: новый подход к единству науки».
В 1956 году
это понятие было развито Кеннетом Боулдингом в работе
характерными
«Общая теория систем основа науки». В дальнейшем общую теорию
систем разрабатывали многие ученые и специалисты у нас в стране и за
рубежом [13, 22, 92, 97, 102].
Система современного предприятия электрических сетей образована
практически бесконечным числом элементов. Каждый элемент электрического хозяйства одновременно является и
частью, и целым. Электрическая
сеть – это совокупность подстанций, распределительных устройств
и соединяющих их линий электропередачи, работающих на определенной
территории. В свою очередь, подстанция – это электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии,
состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической
энергии, устройств управления и вспомогательных устройств [129]. Транс-
форматор – это тоже
электротехническая установка, предназначенная для
связи сетей разного номинального напряжения, состоящая из магнитопровода, обмоток, высоковольтной изоляции, устройства регулирования напряжения, системы охлаждения, непрерывной регенерации масла и т. д.
Уже не достаточно изучать и описывать только тот или иной эле-
мент, необходимо описать все множество элементов.
Системный подход – совокупность общенаучных методологических
принципов (требований), в основе которых лежит рассмотрение объектов
как систем [124]. К числу таких требований относятся:
выявление зависимости каждого элемента от его места и функций
в системе с учетом того, что свойства целого несводимы к сумме свойств
его элементов (эмерджентность);
36
Методы оценки технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов
анализ поведения системы, обусловленного особенностями ее отдельных элементов;
исследование механизма взаимодействия системы и среды;
изучение характера иерархичности, присущей данной системе;
обеспечение всестороннего многоаспектного описания системы;
рассмотрение системы как динамичной, развивающейся целостности.
Специфика системного подхода определяется тем, что он ориентирует исследование на раскрытие целостности развивающегося объекта
и обеспечивающих ее механизмов, на выявление многообразных типов
связей сложного объекта и сведение их в единую теоретическую картину.
Важным понятием системного подхода считается самоорганизация.
Данное понятие отражает процесс создания, воспроизведения
или совершенствования организации сложной, открытой, динамичной, саморазвивающейся системы, связи между элементами которой имеют не жесткий,
а вероятностный характер.
Электрическая сеть по своему устройству относится к сложным вероятностным системам: она обладает большим числом входящих элементов и параметров, а рабочие режимы представляют собой стохастические
процессы [62]. Эти процессы случайны
по своей природе, поэтому они могут быть приближенно описаны с помощью известных методов математической статистики и теории вероятности.
С учетом вышеизложенного можно утверждать, что трехобмоточный
силовой маслонаполненный трансформатор, наряду с электрической сетью, образован практически бесконечным числом элементов и его можно
рассматривать как сложную систему. Свойства отдельно взятого транс
-
форматора не определяют свойства всей системы в целом; перегрузка
трансформатора может стать причиной отключения части электропотребителей или изменения схемы электроснабжения сети. Вопрос взаимодействия с окружающей средой – это экология, влияние погодных условий, каскадно развивающаяся аварийная ситуация, приходящая извне, и т. д.
Трансформатор – это динамическая система, ему присуща зависимость
поведения в будущем от поведения в прошлом. То есть на состояние трансформатора на данном временном этапе влияет режим его длительной
предшествующей загрузки, срок эксплуатации, качество и количество проведенных ремонтов, «культура» обслуживания.
К набору показателей той или иной системы предъявляются определенные требования: достаточность для описания рассматриваемой системы
в целом и отдельных ее частей; возможность получения и расчета
показателей для действующих объектов системы; накопление данных об
изменениях показателей во времени в целях прогнозирования развития
предприятия.
37
Глава 1
Системный подход как совокупность научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем, возникающих в целенаправленной деятельности [80], позволяет нетривиально подойти к описанию построения технических систем. Применение системного анализа для
решения крупных народно-хозяйственных проблем, порожденных убыстряющимся развитием техники, дает возможность управлять формированием технических систем на основе познания
и использования общих зако-
нов построения больших систем.
В методологическом плане речь идет о применении определений
и понятий, являющихся результатом развития естествознания и философии [110], для описания технических систем в рамках общей теории систем. В частности, используются подход и модели, получившие распространение в биологии [13, 22], науковедении [67], математической лингвистике [78].
Проведенный анализ современных методов оценки технического состояния маслонаполненных трансформаторов позволяет сделать следующие выводы:
на современном этапе эксплуатации наблюдается увеличение количества СМТ, отработавших свой нормативный срок эксплуатации, установленный ГОСТ 11677–85 «Трансформаторы силовые. Общие технические условия». В ближайшие годы по экономическим и техническим причинам не ожидается существенного обновления трансформаторного парка.
Первостепенными задачами для сохранения надежной передачи и распределения электрической энергии являются эффективный
контроль за состоянием трансформаторного оборудования и определение его работоспособности;
для обеспечения надежной работы оборудования системы электроснабжения не стоит рассчитывать на обязательный эффект от проведения дорогих видов испытаний. В первую очередь нужно опираться на
существующий руководящий документ «Объем и нормы испытаний электрооборудования (ОиНИЭ)» с постепенным и продуманным его совершенствованием;
необходимость повышения эффективности системы диагностики
обусловлена: неэффективностью существующей системы регламентных
испытаний, увеличением числа электроэнергетических объектов, имеющих
большое число единиц стареющего оборудования, экономической потребностью в продлении эксплуатационного ресурса оборудования;
стало очевидным, что детерминированный подход (первая научная
картина мира) неприменим для практически бесконечного количества
электрооборудования. Появление электрического хозяйства в современном
понимании сделало неизбежным отказ от расчетов, основанных на иссле-
38
Методы оценки технического состояния силовых маслонаполненных трансформаторов
дованиях единичного, и переход к вероятностным (статистическим) представлениям. Статистику концентрации газов неверно математически описывать параметрами нормального распределения (математическим ожиданием и дисперсией);
для однотипных трансформаторов не может быть предложена
единая норма концентрации газа, каждый трансформатор требует индивидуального обследования;
существующие диагностические системы в основном выполняют
роль баз данных ХАРГ и для оценки состояния СМТ используют сравнение полученных в ходе замеров результатов с нормированными значениями. Ни одна из применяемых методик не прогнозирует концентрацию газа
на следующий временной интервал.
39
Глава 2
Глава 2
СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
РАСТВОРЕННЫХ В МАСЛЕ ГАЗОВ СИЛОВЫХ
МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
2.1. Хроматографический анализ газов,
растворенных в трансформаторном масле
Масло как диагностическая среда позволяет выявить до 70 % возмож-
ных дефектов трансформатора и находится под периодическим контролем.
Трансформаторное масло представляет собой сложный состав насыщенных и ароматических углеводородов. Состав масла зависит от месторождения нефти, из которой оно получается, и технологии производства.
В первом приближении можно считать, что основу масла составляет
молекула (СН
. Любое внутреннее повреждение изоляции в виде локально-
2)n
го электрического разряда (частичный разряд) или локального нагрева («горячая точка») приводит к выделению тепла и при температуре, превышаю-
моно-
щей 250–300 С, крекингу – «разложению» масла на более легкие фракции.
Основными продуктами разложения масла под действием термохимического процесса являются следующие газы: Н
С
– этилен, С2Н6 – этан, С2Н2 – ацетилен, СО – оксид углерода.
2Н4
Разложение масла начинается с выделения Н
– водород, СН4 – метан,
2
, СН4, а затем и С2Н6 при
2
температурах более 300 С, характеризующих электрические разряды и «го-
рячую точку» относительно невысоких энергий. Газы С
и С2Н4 (газы
2Н2
второго порядка) образуются в результате электрических разрядов высокой
энергии (искра, дуга) и «горячей точки» при температуре более 600 С.
Масло является одновременно и изоляционной, и охлаждающей средой, имеет контакт как с токоведущими конструкциями, так и с магнитопроводом, поэтому несет в себе максимум полезной информации.
Состояние изоляции трансформатора определяется
по результатам
анализа трансформаторного масла [48, 112].
Физико-химические методы исследования жидкой (трансформаторное масло) и твердой (целлюлоза) изоляции, широко применяемые в настоящее время для оценки эксплуатационного состояния высоковольтного
маслонаполненного электрооборудования, позволяют выявлять незначительные изменения в изоляции и эффективно оценивать развитие в ней тепловых и электрических процессов, сопровождаемых химическими
реак-
циями в присутствии воды, кислорода и образующихся кислых соедине-
40