Анализ конструкции трансформатора как мощный диагностический инструмент. Часть 1

Page 1
background image

Page 2
background image

102

диагностика и мониторинг

В

 

октябре

 2020 

года

 

исполняется

 80 

лет

 

со

 

дня

 

рожде

-

ния

 

Виктора

 

Владимировича

 

СОКОЛОВА

 — 

одного

 

из

 

ведущих

 

специалистов

 

современности

 

в

 

области

 

диа

-

гностирования

 

трансформаторного

 

оборудования

В

иктор Владимирович Соколов родился 

1 октября 1940 года. В 1962 году окон-

чил  электротехнический  факультет 

Харьковского политехнического инсти-

тута, а после и Всесоюзный заочный политех-

нический  институт  по  специальности  «Физика 

диэлектриков». В 1974 году В.В. Соколов посту-

пил в аспирантуру Киевского политехнического 

института, а в 1982 году защитил кандидатскую 

диссертацию по теме «Повышение эффектив-

ности диагностики мощных силовых трансфор-

маторов».

Свою  профессиональную  деятельность 

Виктор  Владимирович  начал  на  Запорожском 

трансформаторном  заводе  (ЗТЗ).  Возглавляя 

службу аварийности, он организовал базу дан-

ных, в которой фиксировались не только ава-

рии  и  повреждения,  но  и  любые,  даже  самые 

незначительные неисправности. Вся информа-

ция обобщалась, тщательно анализировалась, 

и на этой основе разрабатывались рекоменда-

ции по улучшению конструкции. 

В 1992 году он стал инициатором создания 

НИЦ «ЗТЗ-Сервис» и был его руководителем. 

В нынешнем веке по совместительству являл-

ся  ведущим  специалистом  компании  «Келман 

Сервис», сотрудничал со многими энергетиче-

скими  предприятиями  России  и  Украины.  Со-

колов  В.В.  внес  огромный  вклад  в  создание 

системы  анализа  работы  трансформаторного 

парка  в  энергосистемах,  методов  выработки 

обобщенных  решений  по  предотвращению 

нештатных  ситуаций  в  силовых  трансформа-

торах. Его всегда отличал комплексный и про-

фессиональный  подход  на  основе  глубинного 

понимания  физических  процессов  решаемых 

проблем. 

Среди  его  достижений  можно  отметить 

разработку  совместно  с  австрийской  фирмой 

«Технол»  специального  моющего  трансфор-

маторного  масла  «Регенол»,  разработанный 

с Б.В. Ваниным (ВНИИЭ) метод оценки увлаж-

нения изоляции «Water Heat Run Test»; методо-

логию функциональной диагностики трансфор-

маторного оборудования; участие в разработке 

нормативных документов по диагностированию 

трансформаторов и др. 

Виктор  Владимирович  опубликовал  около 

ста  статей,  принимал  участие  в  создании  по-

пулярного  справочника  по  трансформаторам 

и собирался закончить главу для второй части 

издания,  касающейся  проблем  эксплуатации 

трансформаторов. 

В.В. Соколов был экспертом мирового клас-

са  по  вопросам  надежности  работы  транс-

форматорного оборудования. В СИГРЭ он за-

нимался  многими  вопросами.  В  комитете  А2 

«Трансформаторы» руководил группами А2.18 

«Планирование  жизни  трансформаторов» 

и  «Влажность  в  трансформаторах»,  был  чле-

ном Консультативного совета А2 «Стратегия». 

В комитете D1 «Материалы и технологии» ра-

ботал в группе D1.01 «Трансформаторная про-

питанная изоляционная система». В 2000 году 

заслуги Виктора Владимировича были отмече-

ны наградой СИГРЭ. 

Виктор  Владимирович  Соколов  скоропо-

стижно  скончался  6  января  2008  года  в  воз-

расте 67 лет. В память о нем дважды (в 2010 

и  2015  годах)  проводились  совместные  засе-

дания  и  конференции  общественных  Советов 

Урала, Сибири и Дальнего Востока по диагно-

стированию  трансформаторного  оборудова-

ния,  в  которых  приняли  участие  и  коллеги  из 

дальнего  зарубежья.  Был  подготовлен,  издан 

и  переиздан  сборник  трудов  В.В.  Соколова. 

Одной  из  самых  больших  в  сборнике  была 

статья, основанная на переводе с английского 

лекций Виктора на семинаре в Новой Зеландии 

в 2005 году. Сейчас мы повторяем эту статью 

в  заново  отредактированном  и  несколько  со-

кращенном виде. 

Овсянников

 

А

.

Г

., 

д

.

т

.

н

., 

профессор

 

кафедры

«

Техника

 

и

 

электрофизика

 

высоких

 

напряжений

» 

НГТУ

Осотов

 

В

.

Н

., 

к

.

т

.

н

., 

ООО

 «

ИТЦ

 

УралЭнергоИнжиниринг

»


Page 3
background image

103

Анализ конструкции трансформатора 
как мощный диагностический 
инструмент. 

Часть 1

В

 

статье

 

доказывается

что

 

анализ

 

конструкции

 

является

 

мощным

 

инструментом

 

для

 

оценки

 

состояния

 

действующих

 

силовых

 

трансформаторов

Приведены

 

случаи

 

техноло

-

гических

 

нарушений

 

и

 

отказов

 

отдельных

 

узлов

 

трансформаторов

продемонстрированы

 

возможности

 

их

 

предвидения

 

на

 

основе

 

анализа

 

конструкции

 

трансформаторов

 

и

 

выяв

-

ления

 «

слабых

 

мест

».

П

ри  определении  возможного  состояния  си-

ловых  трансформаторов  (Т)  необходимо 

учитывать  ряд  технических  вопросов.  Раз-

работка  парка  Т  сопровождалась  постоян-

ным  совершенствованием  методов  проектирования. 

Оглядываясь  в  60–70-е  годы,  можно  найти  ряд  не-

достатков  в  конструкции  Т,  вызванных  недооценкой 

факторов  потерь  рассеяния,  неадекватных  тепловых 

характеристик,  характеристик  короткого  замыкания 

и  др.  Например,  анализ  конструкции  с  современны-

ми  инструментами  расчета  наиболее  нагретой  точки 

в 80 различных трансформаторах, изготовленных меж-

ду 1960 и 1992 годами, показал, что у 60% перегрев 

превышал 80°С, а у 30% трансформаторов температу-

ра наиболее нагретой точки составляла более 90°С [1].

Большинство  Т  проектируются  таким  образом, 

чтобы  соответствовать  индивидуальным  специфи-

кациям  электростанций,  которые  могут  значительно 

различаться по проектным требованиям, параметрам 

и  показателям  безопасности.  Спецификация  —  это 

«живой»  документ,  который  постоянно  изменяет-

ся под влиянием событий, происходящих во вре-

мя  работы,  особенно  отказов.  Следовательно, 

все большие Т индивидуальны, и два устройства 

одного  типа  могут  иметь  совершенно  различные 

«здоровье и возраст в эксплуатации». Анализ кон-

струкции  может  стать  единственным  эффектив-

ным средством оценки имеющихся особенностей. 

Анализ  конструкции  —  это  важный  шаг  про-

граммы  «Управление  жизненным  циклом  транс-

форматора».  «Жизненный  цикл»  Т  можно  опре-

делить как изменение его состояния со временем 

под  влиянием  тепловых,  электрических,  электро-

магнитных и электродинамических нагрузок, а так-

же  разного  рода  загрязнений  и  старения.  Отказ 

происходит, когда предел прочности Т по одному 

из  его  ключевых  параметров  превышается  из-за 

рабочих  нагрузок.  Поэтому  решающую  роль  при 

предотвращении таких проблем играет определе-

ние мест с минимальным запасом прочности. 

Анализ конструкции — это ключевая процедура, 

позволяющая ответить на вопросы: какие дефекты 

и неисправности можно ожидать в определенных 

частях трансформатора, связанных с определен-

ной  функционально  подсистемой?  Каким  путем 

дефект может перерасти в неисправность, а затем 

в отказ? Модель соответствующего отказа позво-

ляет минимизировать усилия по диагностике и вы-

брать  наиболее  экономичные  инструменты.  Анализ 

конструкции также может быть эффективным инстру-

ментом для определения необходимого объема работ 

по ремонту неисправного трансформатора. В данной 

статье  представлены  некоторые  аспекты  анализа 

конструкции,  которые  могут  способствовать  более 

точной идентификации действующего Т.

ЗАВИСИМОСТЬ

 

РЕЖИМОВ

 

ОТКАЗА

 

ОТ

 

НАЗНАЧЕНИЯ

 

ТРАНСФОРМАТОРА

МОЩНОСТИ

 

И

 

КЛАССА

 

НАПРЯЖЕНИЯ

Влияние

 

назначения

 

трансформатора

  на  кон-

струкцию и возможные режимы отказа. В базе дан-

ных компании ЗТЗ-Сервис отражены случаи отказа 

с 1965 года. Изучению подверглось более 5000 транс-

форматоров мощностью 100 МВА и выше, трансфор-

маторы собственных нужд (более 700) и шунтирую-

щие реакторы 400–750 кВ (более 260). С 1994 года 

база данных была дополнена статистикой отказов со 

всего мира (таблица 1). Она позволяет отдельно рас-

Табл. 1. Основные отказы силовых трансформаторов, %

Вид и место отказа

Данные 

Doble

Данные ЗТЗ-Сервис

ГТ >

100 MВA ТСН

СТ >

100 MВA

Диэлек-

триче-

ский 

изоляция между 

слоями обмоток

23

37,8

7,1

14,3

главная изоля-

ция, изоляция 

главных отводов

13,4

11,2

21,4

17,3

Тепловой: изоляция про-

водника

5,8

13,3

4,8

Механический: деформа-

ция обмотки

12,5

4,4

14,3

9,5

Магнитная цепь: магнито-

провод / магнитные шунты*

5,8

4,4

4,8

Токоведущий: провода, 

соединения

3,8

13,3

14,3

3,2

Ком-

плекту-

ющие 

узлы

Ввод

9,6

13,3

38

РПН**

15,4

4,4

42,8

7,9

Изоляция

21,4

Перегрев

контактов

21,4

ПБВ

3,8

2,1

Рассмотрены

 

только

 

аварийные

 

отключения

.

** 

Только

 

основные

 

отказы

.

 4 (61) 2020


Page 4
background image

104

смотреть  режимы  отказа  генераторных  трансфор-

маторов  (ГТ),  трансформаторов  собственных  нужд 

(ТСН)  и  сетевых  трансформаторов  (СТ),  а  также 

сопоставить их с данными 1996–98 годов компании 

Doble (52 отказа Т мощностью > 100 МВА).

Генераторные

 (

блочные

трансформаторы

.

 

От-

казы  из-за  снижения  изоляционных  характеристик, 

в которых главным образом повреждается изоляция 

обмотки высшего напряжения, составляют до 50% от 

всего количества отказов, однако в последние годы 

возрастает число отказов из-за теплового старения. 

Генераторные  трансформаторы  также  показали  су-

щественное число отказов из-за перегрева проводов 

и соединений. 

Трансформаторы

 

собственных

 

нужд

.

  При  диа-

гностике  трансформаторного  оборудования  основ-

ное  внимание  должно  уделяться  переключателю 

РПН: повреждению изоляции (особенно переключа-

теля ответвлений) и перегреву контактов; состоянию 

изоляции проводов и соединений; механическому со-

стоянию обмотки под воздействием токов короткого 

замыкания и перегрузок по току, которые возникают 

при пуске вращающихся машин (радиальной дефор-

мации  обмоток  низкого  напряжения,  скручиванию 

и деформации регулировочной обмотки). Поврежде-

ния изоляции обмотки происходят главным образом 

из-за проникновения свободной воды. 

Сетевые

 

трансформаторы

 

и

 

автотрансфор

-

маторы

.

 Более 30% отказов связаны с повреждени-

ем изоляции обмотки (как правило, обмотки высшего 

напряжения), в то время как доля «тепловых» отка-

зов не превышает 5%. Средний возраст Т, вышедших 

из строя, составляет 20,5 лет; 32% вышли из строя 

через 25 лет, а 9,4% отказали, не проработав и 5 лет. 

Влияние

 

мощности

 

и

 

напряжения

.

 Особенно-

сти больших (> 100 МВА) силовых Т связаны с боль-

шим  количеством  рассеяния  тепла,  сильного  воз-

действия потока рассеяния и чрезвычайно высоких 

электродинамических  нагрузок.  Повышение  класса 

напряжения приводят к росту объема изоляции, ис-

пытывающей повышенную электрическую нагрузку. 

Из-за  низкой  составляющей  потери  рассеяния 

в Т на 35–110 кВ и мощностью меньше 100 MВA об-

разование  газов  разложения  обычно  сопровожда-

ется перегревом соединений токоведущего контура 

(опасный случай) или только проникновением газов 

в главный бак из отсека РПН, в то время как в боль-

ших Т это часто происходит из-за перегрева, вызван-

ного потоком рассеяния (не очень опасный случай).

Если  напряженность  электрического  поля  до-

статочно  высока,  может  возникнуть  поверхностный 

и  скользящий  электрический  разряд.  Класс  напря-

жения, при котором вероятно повреждение главной 

изоляции обмотки, составляет 220 кВ и выше. 

Ввиду большого количества рассеянной энергии, 

значительного потока рассеяния и сложной структу-

ры изоляции, большие Т высокого напряжения более 

подвержены локальному перегреву изоляции и появ-

лению дефектов из-за ускоренного старения.

Т напряжением более 220 кВ имеют больше так на-

зываемой «тонкой целлюлозной структуры», которая 

находится в контакте с маслом и более подвержена 

увлажнению, загрязнению частицам и побочным про-

дуктам старения масла. Объем поглощающей воду 

целлюлозной изоляции в Т 35–110 кВ относительно 

мал. Соответственно, разные Т требуют различных 

подходов для определения деструкции изоляции.

КАКУЮ

 

ИНФОРМАЦИЮ

 

ДЛЯ

 

ДИАГНОСТИКИ

 

МОЖНО

 

ПОЛУЧИТЬ

 

ИЗ

 

ПАСПОРТНЫХ

 

ДАННЫХ

 

ТРАНСФОРМАТОРА

?

Паспортные  данные  могут  дать  приблизительное 

представление о конструкции Т, а именно о числе об-

моток, их соединениях и примерном расположении, 

распределении  напряжения  /  тока,  а  также  о  типе 

переключателя, трансформаторных вводах и систе-

ме охлаждения. 

Изменение напряжения переменного тока может 

свидетельствовать  о  возможном  изменении  потока 

либо  в  стержне  (например,  в  повышающем  авто-

трансформаторе  с  регулированием  в  нейтрали  об-

мотки ВН), либо в ярме магнитопровода (например, 

в понижающем автотрансформаторе).

По  уровню  изоляции  и  отношению  импульсного 

напряжения (грозовой импульс) к одноминутному ис-

пытательному напряжению переменного тока можно 

судить о чувствительности изоляции к загрязнению.

Значение  напряжения  короткого  замыкания 

(

U

к

, %) дает информацию о токе сквозного короткого 

замыкания и возможном уровне нагрузки при корот-

ком  замыкании.  Например,  при  значении 

U

к

  <  12% 

для трансформатора мощностью > 80 MВA потребо-

вался  бы  специальный  анализ  динамической  стой-

кости.  Сравнительно  низкое  значение 

U

к

  =  12÷13% 

для ГТ 400–600 MВA свидетельствовало бы о нали-

чии в конструкции двух обмоток ВН и, возможно, двух 

обмоток НН. С другой стороны, 

U

к

 > 16÷18% означал 

бы высокое значение потока рассеяния и возможное 

нагревание  металлических  частей,  связанных  с  по-

током рассеяния.

При значении номинального тока более 1000 А 

необходимо  уделять  особое  внимание  возможной 

деструкции  контактов,  особенно  у  вводов  протяж-

ного  типа.  Прогнозировать  возможные  тепловые 

характеристики  аксессуаров  возможно  при  со-

поставлении  максимального  номинального  тока 

трансформатора,  вводов  и  максимального  номи-

нального тока РПН. 

Например,  однофазный  ГТ  350  MВA  был  снаб-

жен переключателем отводов с номинальным током 

1600  А.  Согласно  IEC  60542,  максимальный  номи-

нальный ток РПН должен составлять по крайне мере 

120%  максимального  тока  Т.  В  этом  случае  макси-

мальный ток обмотки ВН был 1560 A, и соотношение 

максимального тока РПН и трансформатора состав-

ляет  только  102,6%.  ГТ  эксплуатируется,  как  пра-

вило, при редком переключении отводов с высокой 

вероятностью  ухудшения  состояния  контактов  РПН 

(образование  пленочного  покрытия).  Увеличение 

сопротивления контактов, например, до 100 микро-

омов, привело к локальному нагреванию и неизбеж-

ной приварке. Отмечено несколько случаев повреж-

дений контактов переключателя. 

ДИАГНОСТИКА 

И  МОНИТОРИНГ


Page 5
background image

105

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

 

БАЗОВОЙ

 

МОДЕЛИ

 

ТРАНСФОРМАТОРА

 

ДЛЯ

 

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

 

ВЕРОЯТНЫХ

 

СЛАБЫХ

 

МЕСТ

Базовую  модель  трансформатора  определяют  сле-

дующие факторы:

 

– магнитная цепь (форма магнитопровода и форма 

корпуса),  для  конструкции  трехфазного  магнито-

провода  важна  идентификация  числа  стержней 

(три стержня или пять стержней); 

 

– устройство обмоток и распределение напряжения 

переменного тока; 

 

– структура главной изоляции.

Анализ  конструкции  обмоток  помогает  отве-

тить на вопросы: каковы вероятные слабые места 

в  главной  изоляции,  в  какой  обмотке  вероятны 

повреждения  при  нагрузках  от  короткого  замы-

кания,  насколько  конструкция  доступна  для  диа-

гностики? 

Например,  на  рисунке  1  схематично  представ-

лено  устройство  обмоток  автотрансформатора 

500 MВA, 400/132/22 кВ с регулированием напряже-

ния  (в  последовательной  обмотке).  Можно  сделать 

вывод  о  том,  что  места  изоляции,  испытывающие 

наибольшую нагрузку, — это «регулирующая обмот-

ка – заземленный экран», «общая обмотка – экран» 

и  «последовательная  обмотка  –  общая  обмотка». 

Следует  рассмотреть  возможное  повышение  им-

пульсного напряжения в регули-

рующей  и  третичной  обмотках. 

Радиальную  устойчивость  об-

щей обмотки и третичной обмот-

ки следует проверять отдельно. 

Расположение  регулирующей 

обмотки  свидетельствует  об 

ограниченном  сопротивлении 

к  радиальным  нагрузкам.  Об-

мотка  является  очень  чувстви-

тельной к любому короткому за-

мыканию между отводами РПН, 

и  состояние  работающего  РПН 

должно быть предметом особо-

го внимания.

Анализ  устройства  обмоток 

позволяет  сделать  предвари-

тельный  вывод  об  электриче-

ских,  механических  и  тепловых 

характеристиках. 

Состояние 

изоляции

 

прак-

тически  невозможно  оценить 

посредством  какой-либо  ди-

электрической  характеристики 

(тангенс  дельта,  спектры  по-

ляризации  и  др.),  потому  что 

участки  между  обмотками  шун-

тированы.  Интерес  представ-

ляют напряжение между прово-

дниками  и  секциями,  толщина 

изоляции  провода,  размер  ра-

диального охлаждающего кана-

ла  и  осевые  каналы  под  и  над 

обмоткой,  наличие  емкостных 

колец. Особое внимание следует уделять обмоткам 

переплетенного и регулировочного типа.

Для  оценки 

механических

 

характеристик  необ-

ходимо  учитывать  следующие  параметры:  макси-

мальная плотность тока; механические напряжения 

в  проводнике  под  усилием  растяжения 

02

,  MПа, 

при  температуре  короткого  замыкания;  средний 

диаметр; число изоляционных прокладок, размеры 

проводников: высота, толщина и соотношение ра-

диального размера проводников (толщина провод-

ника) и средний диаметр обмотки.

Для оценки 

тепловых

 

характеристик важно рас-

смотреть:

 

– максимальную плотность тока, высоту проводни-

ка  многожильного  провода,  радиальный  размер 

секции, изоляцию провода; 

 

– отношение  радиального  размера  и  высоты  про-

вод ника; 

 

– ширину и число прокладок (открытую охлаждаю-

щую поверхность);

 

– радиальный охлаждающий канал (учитывая воз-

можное разбухание изоляции провода, особенно 

бумажной); 

 

– направление  масляного  потока,  число  радиаль-

ных каналов под и над обмоткой; 

 

– устройство  изоляционных  прокладок  и  других 

элементов  изоляции,  которые  могут  влиять  на 

поток охлаждающего масла (рисунок 2).

Рис

. 2. 

Устройство

 

элементов

 

изоляции

а

расположение

 

барьеров

 

пре

-

пятствует

 

попаданию

 

масла

 

в

 

области

 

РО

 

и

 

ТО

б

устройство

 

прокладок

 

блокирует

 

область

 

верхних

 

катушек

б)

а)

Рис

. 1. 

Устройство

 

обмотки

 

в

 

автотрансформаторе

 500 M

В

A, 400/132/22 

кВ

 

(

между

 

регулировочной

 

и

 

третичной

 

обмотками

 

установлен

 

заземленный

 

электростатический

 

экран

)

 4 (61) 2020


Page 6
background image

106

ОЦЕНКА

 

ЗАПАСА

 

ПРОЧНОСТИ

 

ИЗОЛЯЦИИ

 

И

 

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

 

К

 

ПОЯВЛЕНИЮ

 

ДЕФЕКТОВ

Основные методологические процедуры для провер-

ки изоляционных характеристик:

 

– проверка  соответствия  испытательных  напряже-

ний принципу координации изоляции; 

 

– расчет  распределения  испытательного  импульс-

ного напряжения по межвитковой и главной изо-

ляции; 

 

– расчет  и  углубленный  анализ  электрического 

поля  с  учетом  всех  режимов  испытательных 

напряжений;

 

– расчет  запаса  на  основе  оценки  электрической 

прочности в рассматриваемых областях, включая 

барьеры; напряжение возникновения ЧР обычно 

рассматривается  как  характеристика  электриче-

ской прочности. 

Характеристики импульсной прочности составля-

ют только часть надежности изоляции.

Случай  1.

  Автотрансформатор  240  MBA, 

240/115  кВ  с  масляным  осевым  каналом  под  ВН 

в промежутке между последовательной и общей об-

мотками.  Анализ  конструкции  выявил  два  слабых 

места: малые расстояния между последовательной 

и общей обмотками и нижней частью общей обмотки 

в промежутке между общей и третичной обмотками 

(рисунок 3).

Оценка  запаса  прочности  показала  критическое 

состояние  изоляционного  промежутка  между  после-

довательной и общей обмотками. Анализ выявил, что, 

в  то  время  как  запас  прочности  между  ожидаемым 

пределом прочности и прикладываемым напряжени-

ем для полного грозового импульса был положитель-

ным,  для  коммутационного  напряжения  наблюдался 

отрицательный запас прочности (таблица 2). 

Старение  масла  и  отложение  шлама  в  местах 

высокой  напряженности  поля  могут  значитель-

но  снизить  импульсную  прочность.  Минимальное 

пробивное  напряжение  при  коммутационном  пе-

ренапряжении  может  уменьшиться  примерно  на 

15÷20%  после  старения.  Поэтому  в  большинстве 

случаев запас прочности конструкции менее 20% 

следует  рассматривать  как  недостаточный.  Глав-

ным образом это связано с недооценкой импульс-

ной переходной функции и эффекта резонансных 

колебаний. 

Случай  2.

  Пусковой  понижающий  автотранс-

форматор собственных нужд 40 MВA, 220/6 кВ на 

электростанции, который часто подвергался пере-

ходному коммутационному процессу во время ком-

мутаций  вакуумного  выключателя,  отказал  из-за 

короткого  замыкания  между  катушками  регулиро-

вочной  обмотки.  Анализ  конструкции  свидетель-

ствует,  что  регулировочная  обмотка,  по  большей 

части,  находится  в  нагруженном  состоянии.  При 

этом напряжение между катушками обмотки ВН со-

ставляло  2,4  кВ,  а  напряжение  между  катушками 

РО — 6,4 кВ.

Анализ показал, что повышение напряжения в РО 

зависит от положения отвода. Анализ данных выявил 

положительный запас прочности при номинальном, 

минимальном и максимальном положениях, которые 

обычно  проверяются  при  испытаниях  импульсным 

напряжением. Однако наибольшие перенапряжения 

имели место, когда участвовала только одна ступень 

регулировочной  обмотки.  В  этом  случае  напряже-

ние между катушками могло достигать критического 

уровня в 80 кВ. Кроме того, во время коммутации вы-

ключателя были обнаружены резонансы напряжения 

на частотах 19–11 кГц.

ОЦЕНКА

 

ПРИОРИТЕТА

 

ДЛЯ

 

ДИАГНОСТИКИ

Случай  3.

  Семейство  шунтирующих  реакторов 

60 МВАР, 400/√3 кВ. Для разработки модели отка-

за  и  главных  целей  диагностической  программы 

был произведен анализ конструкции [2]. Было най-

дено,  что  способность  изоляции  лимитировалась 

импульсной  прочностью  по  поверхности  обмотки 

(таблица 3). 

Рис

. 3. 

Устройство

 

обмоток

 

и

 

слабые

 

места

 

автотрансформатора

Табл. 2. Запас электрической 

прочности в автотрансформато-

ре 240/110 кВ

Испытательное 

напряжение

Запас

прочности,

%

Индуктированное 

1-минутное 

–8

Коммутационный 

импульс 540 кВ 

–7

Полный грозовой 

импульс 650 кВ 

11

Табл. 3. Запас электрической прочности

главной изоляции в шунтирующем реакторе

Составляющая 

изоляции

Запас прочности, %

Коммутационное 

перенапряжение

Грозовое

перенапряжение

Катушка-катушка

5,8

1,55

Виток-виток

10,8

6,6

Главная изоляция 

(масло-барьер)

2,6

1,75

Вдоль обмотки 

1,27

1,17

ДИАГНОСТИКА 

И  МОНИТОРИНГ


Page 7
background image

107

При  ее  загрязнении  проводящими  частицами 

импульсная прочность могла снизиться до уровня 

ниже критического. Соответственно, отслеживание 

появления проводящих частиц в масле и тестов на 

ЧР были предложены как главные методы диагно-

стики. 

Случай  4.

  Семейство  генераторных  Т  417  МВА, 

24/787/√3 кВ. Анализ конструкции [3] выявил слабое 

место изоляции: промежуток между вводом и стен-

кой бака, показанный красной стрелкой на рисунке 4. 

Оценки запаса по электрической прочности приведе-

ны в таблице 4.

Предел прочности зависит главным образом от 

состояния масла и проводимости поверхности ба-

рьеров  из  электрокартона.  Таким  образом,  целью 

предложенной  диагностической  программы  было 

предотвращение возможного уменьшения электри-

ческой прочности масла из-за частиц, воды (вклю-

чая  связанную  воду,  поглощаемую  продуктами 

старения масла), любого возможного источника об-

разования пузырьков, а также загрязнения поверх-

ности барьеров.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

К

 

ПОЯВЛЕНИЮ

 

ДЕФЕКТОВ

Хорошо известно, что загрязнение изоляции водой, 

частицами и пузырьками вызывает риск возникнове-

ния  критического  дефектного  состояния  в  электро-

изоляционной  системе.  Однако  чувствительность 

конкретной  конструкции  изоляции  к  уменьшению 

предела  электрической  прочности  значительно  ва-

рьируется. 

Большие

 

масляные

 

промежутки

, особенно те, ко-

торые не разделены барьерами, очень чувствитель-

ны к загрязнению масла частицами, а также к иска-

жению электрического поля на электродах. Рабочая 

группа СИГРЭ WG 12.17 изучила влияние частиц на 

электрическую прочность изоляции трансформатора 

и выявила 65 случаев отказа, вызванного загрязне-

нием  частицами.  Было  обнаружено,  что  почти  90% 

общего количества отказов произошло в зоне между 

экраном ввода и цилиндром или между проводом ВН 

и цилиндром или стенкой бака. Эти места являются 

типичными слабыми местами, особенно, если между 

электродами отсутствует барьер. 

Несколько отказов были вызваны плохими харак-

теристиками экрана ввода 500 кВ, а именно скрытым 

дефектом  металлической  сетки  с  острыми  краями. 

Это приводило к возникновению ЧР под воздействи-

ем коммутационного перенапряжения и возникнове-

нию электрической дуги.

Исследование  влияния  воды  на  электрическую 

прочность  межвитковой  изоляции  обмотки  [4]  по-

казало,  что  наиболее  подверженными  опасно-

му  воздействию  воды  являются  участки  изоляции 

между катушками обмотки переплетенного типа и от-

вода винтовой обмотки, где напряжение составляет 

3–10 кВ или выше. 

Обеспокоенность всегда вызывает вероятное вы-

деление  пузырьков  водяного  пара  из  изоляции  на-

гретого проводника во время перегрузок. 

Пробой

 

масляного

 

промежутка

 из-за свободной 

воды. Наиболее частые причины проникновения до-

ждевой  воды  в  трансформатор  связаны  с  некаче-

ственным или нарушенным уплотнением наконечни-

ка ввода протяжного типа, а также некачественным 

уплотнением диафрагмы выхлопной трубы, что при-

водит к пробою масляного промежутка между катуш-

ками обмоток ВН и РО.

Свободная  вода  может  представлять  равную 

опасность для трансформаторов 500 кВ и 35 кВ, од-

нако  чувствительность  их  конструкции  к  проникно-

вению  влаги  значительно  различается.  Произошел 

ряд отказов трансформаторов 35–110 кВ, вызванных 

проникновением свободной воды.

Фактические рабочие напряженности в изоляции 

в  регулировочных  обмотках  этих  трансформаторов 

практически  могут  равняться  рабочим  напряженно-

стям в обмотках 500 кВ. Напряжение между секция-

ми обычно составляет 5–6 ступеней регулировочной 

обмотки. Отдельное изучение моделей обмоток по-

казало,  что  обмотка  слоевого  типа  с  радиальными 

масляными  каналами  между  секциями  может  быть 

очень  чувствительна  к  загрязнениям  с  проникнове-

нием  влаги.  Они  подтверждают,  что  серьезное  за-

грязнение  с  проникновением  влаги  может  понизить 

пробивное напряжение до уровня рабочего напряже-

ния между секциями. С другой стороны, обмотка без 

радиальных  каналов  гораздо  менее  чувствительна 

к влаге.

Рис

. 4.

Место

 

мини

-

мального

 

запа

-

са

 

прочности

 

в

 

генератор

-

ном

 

транс

-

форматоре

 

750 

кВ

Табл. 4. Оценка запаса электрической прочности изо-

ляции в генераторном трансформаторе

417 МВА- 24/750/√3 кВ

Составляющая 

изоляции

Запас прочности, %

Коммутационное 

перенапряжение

Грозовое пере-

напряжение

Виток-виток, ВН

4,8

1,75

Катушка-катушка, ВН

3,5

1,41

Между обмотками 

ВН-НН

1,6

1,57

Обмотка ВН-бак

2,2

2,36

Ввод ВН-бак

1,2

1,26

 4 (61) 2020


Page 8
background image

108

ОБРАЗОВАНИЕ

 

ПУЗЫРЬКОВ

 

ПРИ

 

НАГРЕВЕ

 

ОБМОТКИ

ОПАСНО

 

ЛИ

 

ЭТО

Выделение  пузырьков  в  масле  представляет  опас-

ность  при  возникновении  ЧР  при  номинальном  на-

пряжении.  Вопрос  в  том,  является  ли  это  опасным 

для всех типов обмоток. 

Напряжение на пузырьке 

U

п

 диаметром 

d

 зависит 

от напряжения на участке между катушками 

U

к

, тол-

щины масляного промежутка 

S

 и толщины межвитко-

вой изоляции 

б

:

 

d

 

U

п

 = — · 

U

к

(1)

 

б 

· 

в 

б

 + 

· 

в

/

м

При  диэлектрических  проницаемостях  масла 

м

 = 2,2, воздуха 

в

 = 1 и бумаги 

б

 = 3,8 расчет по 

(1) показывает, что в пузырьке может возникнуть ЧР, 

если  напряжение  на  участке  между  катушками 

U

кв

 

среднем  составляет  5÷10  кВ.  Поэтому  на  практике 

образование  пузырьков  может  представлять  опас-

ность для переплетенной обмотки, а также для неко-

торых обмоток регулировочного и слоевого типа, в то 

время как, например, винтовые и дисковые обмотки 

не склонны к высвобождению пузырьков. 

ОЦЕНКА

 

МЕХАНИЧЕСКОГО

ЗАПАСА

 

ПРОЧНОСТИ

Основной подход и методология:

 

– расчет тока сквозного короткого замыкания;

 

– расчет  внутренних  напряжений  при  коротком 

замыкании;

 

– оценка  прочности  проводника,  которая  характе-

ризует способность противостоять возникающим 

при коротком замыкании силам без повреждений;

 

– оценка фактора жесткости, который характеризу-

ет способность противостоять внутренним силам, 

возникающим при деформациях без отказа;

 

– оценка радиальной устойчивости, которая харак-

теризует способность противостоять внутренним 

силам без нарушения первоначального состояния 

равновесия. 

Программа,  используемая  для  оценки  характе-

ристик короткого замыкания, была, в своей основе, 

разработана доктором наук Лазаревым (Исследова-

тельский  институт  трансформаторостроения,  Запо-

рожье). Она включает оценку коэффициентов семи 

факторов прочности:

 

– прочность под действием радиальных сил;

 

– жесткость под действием радиальных сил;

 

– устойчивость к действию радиальных сил;

 

– прочность при сгибании проводников аксиальны-

ми электромагнитными силами;

 

– прочность при сгибании проводников радиальны-

ми электромагнитными силами;

 

– устойчивость к полеганию проводников;

 

– прочность под действием аксиальных сил.

Технический анализ позволяет указать ту обмот-

ку, которая может пострадать от напряженности при 

коротком замыкании, а также определить вероятный 

вид деформации. 

Анализ  конструкции  с  использованием  совре-

менных  методов  показал,  что  динамическая  устой-

чивость  старой  конструкции  трансформатора  была 

часто недостаточна, чтобы противостоять заданной 

нагрузке,  главным  образом  из-за  недостаточной 

устойчивости к радиальной нагрузке. 

Случай 5.

 Отказ понижающего Т 80 MВA, 80/33 кВ 

произошел из-за значительной деформации обмотки 

НН (рисунок 5). Было установлено, что трансформа-

тор  1974  года  выпуска  имеет  низкую  устойчивость 

к радиальным деформациям (таблица 5). Учитывая 

длительный  срок  службы  и  ослабление  креплений 

обмотки, частичная деформация ожидалась.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

 

ЭФФЕКТИВНОГО

 

НАБОРА

 

ДЕЙСТВИЙ

 

ПО

 

ТЕХНИЧЕСКОМУ

 

ОБСЛУЖИВАНИЮ

 

НА

 

ОСНОВЕ

 

ТЕХНИЧЕСКОГО

 

АНАЛИЗА

Случай  6.

  Генераторный  повышающий  трансфор-

матор 417 MВA, 24/787/√3 кВ. Сквозное короткое за-

мыкание было признано наиболее критической про-

блемой ввиду значительной концентрации мощности 

на шинах 750 кВ. Были рассмотрены и оценены три 

вероятных  события  жизни  генераторного  трансфор-

матора (таблица 6): однофазное короткое замыкание 

со стороны 750 кВ, трехфазное короткое замыкание 

со стороны 24 кВ и внутренний пробой в промежутке 

от  обмотки  ВН  к  земле.  Было  найдено,  что  возмож-

ная  радиальная  деформация  внешнего  слоя  обмот-

ки НН является «слабым местом» в случае короткого 

замыкания со стороны 24 кВ, особенно при условии 

ослабления  усилий  прессовки  обмотки  (таблица  7). 

Кратность тока короткого замыкания была определе-

на как 6,75. Однако возможное ослабление креплений 

обмотки при значениях, превышающих 75% от задан-

ного отношения (6,75 ∙ 0,75 = 5,06), было определено 

Табл. 5. Запасы механической прочности

обмоток к радиальной нагрузке

Обмотка,

положение отвода

Запас прочности, %

Радиальное 

напряжение

Аксиальное 

напряжение

РО, макс.

6,4

6,4

НН, макс.

0,54

0,94

ВН, макс.

3,63

Рис

. 5.

Радиальная

 

потеря

 

устойчивости

 

обмотки

 

НН

 

по

-

сле

 

трехфазного

 

короткого

 

замыка

-

ния

 

на

 

стороне

 

НН

Выявлена

 

полу

-

смещенная

 

форма

 

деформации

ДИАГНОСТИКА 

И  МОНИТОРИНГ


Page 9
background image

109

На прав

ах рек

ламы

Табл. 7. Запас прочности обмоток

при трeхфазном коротком замыкании

со стороны 24 кВ

Обмотка

Запас прочности, %

Радиальное 

напряжение

Аксиальное 

напряжение

Внутренний 

слой НН 

2,9–5,8

2,26

Внешний  

слой НН 

0,9*–1,7

1,26

ВН

1,27

С

 

учетом

 

ослабления

 

усилий

 

прессовки

.

Табл. 6. Ток сквозного короткого замыкания в генераторных трансформаторах

Событие

Токи сквозного короткого замыкания

ВН

НН

Норма

(отно-

шение)

кА Отношение кА Отношение

Однофазное короткое замы-

кание на стороне 750 кВ

3,21

3,51

68,43

3,94-

Трехфазное короткое замы-

кание на стороне 24 кВ

5,28

5,76

173,3

5,76

6,75

Внутреннее короткое замы-

кание 750 кВ на землю

30,5

как «критическое событие», ко-

торое потребует проверки воз-

можной  деформации  обмотки. 

Расчеты  также  показали,  что 

в  случае  внутреннего  коротко-

го  замыкания  между  вводом 

750 кВ и землей значение тока 

будет  превышать  30  кА.  Это 

может привести к образованию 

дуги, которая вызовет выделе-

ние  135  MДж/с  энергии  и  со-

ответствующее  образование 

газа  со  скоростью  до  75  м

3

/с. 

Очевидно,  что  эту  катастрофу 

необходимо предотвратить лю-

быми средствами.  

ЛИТЕРАТУРА
1.  Girgis R., Perkins M., Fazlagic A. Evoluation of ABB Transformer Risk/

Life Assessment Process. Proceedings of the 70th Annual International 

Conference of Doble Clients, 2003.

2.  Sokolov V., Shkrum V. Experience with life assessment and refurbishment 

of 400 kV shunt reactors. Proceedings of the 64th Annual International 

Conference of Doble Clients, 1997, Sec. 8-7.

3.  Sokolov  V.,  Renev  V.,  Dudkin  E.,  Mostovschikov  A.  Experience  with 

life management of 750 kV GSU transformers at the 1000 MW units of 

Zaporozhskaya Nuclear Power Plant. Proceedings of the 64th Annual 

International. Conference of Doble Clients, 1997, Sec. 8-7.

4.  Рыженко В.И., Соколов В.В. Влияние увлажнения на электрическую 

прочность  продольной  изоляции  обмоток  силовых  трансформато-

ров // Электрические станции, 1981, № 9. С. 67–70.

 4 (61) 2020


Читать онлайн

В октябре 2020 года исполняется 80 лет со дня рождения Виктора Владимировича СОКОЛОВА — одного из ведущих специалистов современности в области диагностирования трансформаторного оборудования. В статье доказывается, что анализ конструкции является мощным инструментом для оценки состояния действующих силовых трансформаторов. Приведены случаи технологических нарушений и отказов отдельных узлов трансформаторов, продемонстрированы возможности их предвидения на основе анализа конструкции трансформаторов и выявления «слабых мест».

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»