Анализ конструкции трансформатора как мощный диагностический инструмент. Часть 2

Page 1
background image

Page 2
background image

112

диагностика и мониторинг

ОЦЕНКА

 

ТЕПЛОВЫХ

 

ХАРАКТЕРИСТИК

Обычно производитель рассчитывает повыше-

ние средней температуры каждой катушки об-

мотки и соответствующее превышение средней 

температуры обмотки над средней температу-

рой масла обмотки, учитывая плотность тепло-

вого  потока,  действительную  охлаждающую 

поверхность,  тепловую  проводимость  изоля-

ции, отношение радиального размера обмотки 

и  охлаждающего  канала.  Некоторые  катушки 

(участки) и проводники в катушке, температура 

которых превышает среднюю температуру ка-

тушки ввиду выделения дополнительного теп-

ла, вызванного потерями рассеяния или умень-

шения  эффективности  системы  охлаждения, 

определяются как участки перегрева. 

Превышение  температуры  участка  пере-

грева  над  температурой  окружающей  среды 

обычно представляется как сумма превышения 

температуры  участка  перегрева  катушек  над 

температурой  масла  и  превышения  темпера-

туры масла в верхней части над температурой 

окружающей  среды.  Считается,  что  превыше-

ние средней температуры масла над темпера-

турой  окружающей  среды  равно  превышению 

средней  температуры  масла  вне  обмоток  или 

в охлаждающем канале. Соответственно счита-

ется, что падение температуры в обмотке равно 

падению  температуры  в  охладителе,  и  темпе-

ратура масла в верхней части рассматривается 

как максимальная температура масла. 

Однако указанная выше модель не отража-

ет  должным  образом  процессы  теплообмена, 

особенно  в  больших  силовых  трансформато-

рах  с  принудительным  охлаждением  масла. 

Более  реалистичная  модель  распределения 

тепла должна учитывать, что главным передат-

чиком тепла, получающим тепло, выделяемое 

в  катушках,  является  аксиальный  охлаждаю-

щий канал рядом с обмоткой, который, с дру-

гой  стороны,  имеет  ограниченные  размеры. 

Аксиальный  рост  температуры  масла  следует 

рассчитывать  с  учетом  коэффициента  пере-

менного  градиента  давления,  коэффициента 

аксиального  роста  температуры  масла  и  по-

стоянной гидравлического сопротивления мас-

ла. Температура масла на выходе из обмотки 

должна быть значительно выше, чем темпера-

тура в верхней части бака, но ее невозможно 

правильно  определить  измерением  темпера-

туры масла вне обмоток. Температурой масла 

в верхней части будет температура смеси мас-

ла, покидающего обмотки, с маслом, нагретым 

магнитопроводом, и маслом снаружи обмоток.

ОТКАЗЫ

 

ИЗ

-

ЗА

 

ТЕПЛОВОГО

 

РЕЖИМА

Анализ выявил следующие причины отказов:

 

– перегрев  отводов,  расположенных  между 

регулирующими  катушками  обмотки  ВН, 

соединенной с переключателем отводов на 

холостом ходу; 

 

– перегрев катушек обмотки с изоляционными 

коробками  или  прокладками,  перекрываю-

щими  поток  масла  и  ухудшающими  охлаж-

дение; 

 

– недооценка температуры обмотки, особенно 

обмотки НН в больших генераторных транс-

форматорах  с  охлаждающей  системой  ДЦ 

(рисунок 6).

Следовательно,  главной  причиной  отказов 

было не старение, а дефекты конструкции. 

Случай  7.

  Оценка  температурного  профи-

ля  большого  силового  трансформатора.  При 

анализе конструкции генераторного трансфор-

матора  730  MВA,  420  кВ  выявлена  высокая 

температура  верхних  катушек  НН.  Согласно 

испытаниям,  превышение  средней  темпера-

Анализ конструкции 
трансформатора как мощный 
диагностический инструмент. 

Часть 2

Продолжение

 

статьи

опубликованной

 

в

 

 4(61) 

журнала

 «

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ

Передача

 

и

 

распределение

» 

к

 80-

летию

 

со

 

дня

 

рождения

 

Виктора

 

Владимиро

-

вича

 

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

».


Page 3
background image

113

туры  обмоток  над  температурой 

воздуха  соответствовало  задан-

ной величине (65°C). Однако пре-

вышение  средней  температуры 

не  отражает  реальную  картину 

нагрева  обмоток,  особенно  если 

уменьшены  радиальные  охлаж-

дающие каналы. 

На рисунке 7 показано, что при 

номинальных  радиальных  кана-

лах  в  14  катушках  обмотки  ВН  2 

наблюдается  рост  температуры 

выше 65°C. 

В случае уменьшения каналов 

в более чем 50 катушках имелся 

бы рост температуры выше 65°C 

и в 4 катушках — выше 80°C. Раз-

ница  в  температуре  предопреде-

ляет  отсутствие  единообразия 

в деструкции изоляции. Было най-

дено (рисунок 8), что изоляция от-

вода обмотки НН практически до-

стигла  окончания  срока  службы, 

в  то  время  как  состояние  другой 

изоляции  оставалось  довольно 

неплохим. Подсчитано, что объем 

нагретой  изоляции,  подвергнутой 

ускоренному  износу,  составляет 

менее 2% от общей массы изоля-

ции проводника.

ПЕРЕГРЕВ

 

ИЗОЛЯЦИИ

СОЕДИНЕНИЙ

 

ПРОВОДОВ

Наблюдалось  несколько  случаев  перегрева  соеди-

нений обмотки, которые были выполнены из такого 

же провода, как и обмотка. Это довольно типичная 

ситуация, когда обмотка изготавливается из провода 

ПТБ (рисунок 9). 

Анализ  конструкции  и  необходимые  вычисления 

показали, что характеристики соединений проводов 

обмотки без увеличения поперечного сечения могут 

стать предметом отдельного рассмотрения, особен-

но  когда  используется  толстая  изоляция.  Следует 

подчеркнуть,  что  анализ  конструкции  является,  ве-

роятно, единственным эффективным инструментом 

определения проблемы. Ограниченный объем пере-

гретой изоляции приводит к тому, что хроматографи-

ческий  анализ  растворенных  в  масле  газов  и  ана-

лиз  фуранов  позволяют  увидеть  явные  симптомы 

повреждений  только  на  том  этапе,  когда  возникает 

короткое замыкание между проводниками и горение 

изоляции. 

ОЦЕНКА

 

СОСТОЯНИЯ

 

МАГНИТНОЙ

 

ЦЕПИ

Выявлено несколько случаев полного отказа, вызван-

ного повреждениями в системе магнитной цепи, одна-

ко в ряде случаев отказ происходил при интенсивном 

выделении  газа  и  заканчивался  запланированным, 

хотя  и  нежелательным  простоем.  Большинство  про-

блем,  связанных  с  выделением  газов  разложения 

в  масле,  сопровождались  перегревом,  искрением 

и  дугообразованием  в  магнитопроводе  или  магнит-

ных шунтах (экране). Вероятные дефекты можно раз-

делить на две основные группы: связанные с главным 

магнитным потоком и связанные с потоком рассеяния.

Рис

. 6. 

Отказ

 

генераторного

 

трансформатора

 700 M

В

со

 

сроком

 

службы

 

25 

лет

 

из

-

за

 

перегрева

 

верхних

 

катушек

 

обмотки

 

НН

 (

провод

 

ПТБ

), 

что

 

при

-

вело

 

к

 

короткому

 

замыканию

 

между

 

параллелями

а

 

затем

 

и

 

между

 

витками

Рис

. 7. 

Температурный

 

профиль

 

обмотки

 

НН

 (

рост

 

температуры

 

выше

 

тем

-

пературы

 

воздуха

)

Номер катушки

Номинальная температура наиболее нагретой точки

100

90

80

70

60

50

40

30

1

6

11

15

21

26

31

36

41

46

51

56

61

66

71

76

81

86

91

96

101

106

111

11

6

Те

мперат

ура нагрев

ания, °С

Номинальная температура наиболее нагретой точки

Номинальная температура нагрева катушек

Радиальный канал номинального размера

Радиальный канал 1 мм

Рис

. 8. 

Степень

 

полимеризации

изоляции

 

проводника

 

генераторного

 

трансформатора

 730 M

В

A

Рис

. 9. 

Перегрев

 

и

 

выгорание

 

изоляции

 

отвода

 

в

 

генераторном

 

транс

-

форматоре

 700 

МВА

а

выгорание

 

внутренних

 

слоев

 

соединений

 

отвода

 

ВН

б

рассчитанное

 

превышение

 

температуры

 

соединения

 

отвода

 

ВН

 

над

 

максимальной

 

температурой

 

масла

 

составляет

 77°C

б)

а)

 5 (62) 2020


Page 4
background image

114

Дефекты

связанные

 

с

 

главным

 

магнитным

 

по

-

током

, образуют контур для циркуляции тока в маг-

нитопроводе через изолированные шпильки, прессу-

ющие шпильки, прессующие металлические кольца. 

Они приводят к большому выделению энергии и ин-

тенсивному образованию газов, приводящему к сра-

батыванию газового реле. 

Может

 

ли

 

обычный

 

магнитопровод

 

быть

 

источ

-

ником

 

выделения

 

газов

?

 Анализ конструкции включа-

ет изучение конфигурации магнитопровода и шихтов-

ки листов стали: числа ступеней, способа шихтовки, 

изоляции,  креплений  и  заземления,  а  также  оценку 

основных параметров, таких как магнитная индукция, 

ток холостого хода (ток намагничивания) и их измене-

ние с изменением индукции (напряжения). 

Температура магнитопровода должна быть пред-

метом отдельного рассмотрения. В [5] было показано 

что при нормальной работе и допустимом перевоз-

буждении  на  110%  температура  участка  перегрева 

может варьироваться в диапазоне от 90°С до 140°С 

(или даже 170°С для некоторых старых конструкций). 

Отметим, что температура участка перегрева превы-

шает  температуру  поверхности  магнитопровода  на 

10–15°С. Температура участка перегрева зависит от 

индукции (рисунок 10), марки стали и устройства си-

стемы охлаждения [6, 7].

Макрокапилляры  между  листами  стали  пропи-

таны  маслом  и  последнее  подвергается  перегре-

ву, что приводит к выделению газов и деградации 

масла.  Характерными  газами  являются  водород 

и метан вместе CO и CO

2

 из-за процесса окисления 

масла. Соотношение газов иногда создает впечат-

ление наличия ЧР или перегрева изоляции. Однако 

концентрация  газов  соответствует  процессу  обра-

зования  газа  в  масле  под  воздействием  нагрева 

металла. 

Случай 8.

 Необычное образование газов на ран-

нем  этапе  срока  службы  трансформатора.  В  двух 

баках  однофазных  генераторных  трансформа-

торов  100  MВA,  500√3  кВ  проявилось  необычное 

газообразование  сразу  же  после  запуска.  Обе-

спокоенность  вызвало  появление  водорода  и  по-

вышение концентрации CO до 500 ppm (в течение 

15  лет  работы  наблюдалось  низкое  отношение

CO

2

/CO = 3,5–3,0). Технической причины для пере-

грева обмотки из-за низкой нагрузки (50%) не было. 

Очевидно, что температура обмотки была доволь-

но  низкой  из-за  низкой  нагрузки,  однако  измерен-

ная  на  поверхности  магнитопровода  температура 

составляла 90–95°С, так что температура участка 

перегрева  ожидалась  на  уровне  100–105°С.  Было 

выдвинуто  предположение  об  образовании  газов 

разложения  в  масле  под  действием  перегрева.

Изучение изменения температуры масла 

выявило  заметную  тенденцию  к  выделе-

нию  газов,  особенно  при  наличии  стали 

с  нержавеющим  покрытием  (таблица  8) 

и тем самым подтвердило нормальность 

содержания газа в трансформаторах. 

Согласно  испытаниям  компании  «ЗТЗ-

Сервис»  и  последним  исследованиям 

СИГРЭ  можно  выделить  две  группы  ма-

сел  с  тенденцией  к  газообразованию  под 

действием  рабочих  параметров:  масла,  которые 

выделяют  водород  и  некоторое  количество  мета-

на,  и  масла,  которые  показали  образование  газов, 

характерных  для  перегрева  (метан,  этан,  водород). 

В  обоих  случаях  можно  ожидать  окисления  масла. 

Характер газообразования и скорость выделения га-

зов могут с большой уверенностью использоваться 

для прогнозирования температуры участка перегре-

ва магнитопровода. 

Перевозбуждение

.

  Максимальное  значение  ин-

дукции магнитного потока в любой части магнитной 

цепи при любом из заданных напряжений и положе-

нии отпайки не должно достигать значения, которое 

вызывает насыщение. Практически, когда индукция 

на холостом ходу превышает 1,9 Тл, можно ожидать 

стремительного роста тока намагничивания и потерь 

холостого хода, а также роста потерь и температуры 

в  металлических  частях  магнитопровода.  Экспери-

менты показали [7], что после увеличения плотности 

потока до 2,1 Тл температура нажимной плиты ярма 

магнитопровода достигала 100°С за 1 минуту. Типич-

ной причиной перевозбуждения является изменение 

напряжения  посредством  включенного  в  нейтраль 

обмоток  переключателя  и  регулировочной  обмотки, 

а также соответствующего изменения магнитного по-

тока.  Следует  также  учитывать  воздействие  потока 

рассеяния на изменение магнитной индукции в маг-

нитопроводе [6, 7]. 

Магнитная  индукция  в  магнитопроводе  зависит 

от напряжения. Увеличение напряжения в обмотке, 

которая располагается непосредственно на стержне, 

может привести к перевозбуждению стержня, но уве-

личение  напряжения  внешней  обмотки  (например, 

последовательной  обмотки  автотрансформатора) 

может привести к перевозбуждению ярма.

Рис

. 10. 

Зависимость

 

между

 

индукцией

 

и

 

температурой

 

участка

 

перегрева

1,95

1,85

1,75

1,65

1,55

80

100

120

T

, °C

B

, Тл

Табл. 8. Воздействие температуры и стали

на образование газов в масле Nytro-10GBN при 100°С

CH

4

, ppm

H

2

, ppm

CO

2

, ppm

CO, ppm

Время, час

0 24 72 0 24 72

0

24 72 0 24 72

Чистое масло

0 7

21 0 29 92 143 178 674 0 34 151

Масло в при-

сутствии стали  0 9

50 0 30 120 143 223 782 0 127 200

ДИАГНОСТИКА 

И  МОНИТОРИНГ


Page 5
background image

115

Передача  мощности  со  стороны  НН  на  сторону 

ВН в автотрансформаторе с переключателем в ней-

трали  приводит  к  увеличению  плотности  потока 

в  стержне  магнитопровода.  Предельную  плотность 

потока в стержне магнитопровода можно рассчитать 

как отношение действительного и номинального на-

пряжения на общей обмотке. Передача мощности со 

стороны  ВН  на  сторону  НН  в  автотрансформаторе 

приводит  к  увеличению  индукции  в  ярмах  магнито-

провода  (чем  больше  индукция,  тем  меньше  коэф-

фициент трансформации, определяемый по отноше-

нию  витков  обмоток  ВН/СН).  Магнитную  индукцию 

можно  рассчитать  как  произведение  индукции  под 

нагрузкой и коэффициента перевозбуждения:

 

B

 = 

B

нагр.

 · 

F

пер.

(2)

Индукция под нагрузкой определяется как

 

B

нагр.

 = 

B

хх

 · 

U

ном.

(3)

Коэффициент  перевозбуждения  равен  отноше-

нию  действительного  и  номинального  напряжения 

на последовательной обмотке:

F

пер.

 = 

U

ВН

 / 

U

ВН ном.

 = (

U

ВН

 – 

U

НН

) / (

U

ВН ном.

 – 

U

НН ном.

),  (4)

или

 

U

к

 

·

 

 

·

 

W

СН

 

F

пер.

 = 100

 

·

 

k

 

·

 

1 + 2 

sin

 

·

 

 —

 

+

  

 

100

 

·

 

k

 

·

 

W

ВН

 

U

к

 

·

 

 

·

 

W

СН

 

 

+

 

 

2

1/2

, %, 

(5)

 

100

 

·

 

k

 

·

 

W

ВН

где 

k

 = 

U

ВН

 / 

U

ВН ном.

 — отношение действительного и но-

минального напряжения; 

U

к

 — напряжение короткого 

замыкания, %; 

 = 

I

ном.

 — отношение действительно-

го и номинального тока; 

W

СН

 / 

W

ВН

 — число витков об-

щей / последовательной обмотки; 

sin

 = (1 – 

cos

2

)

1/2

где 

cos

 — коэффициент мощности.

Следовательно,  коэффициент  перевозбуждения 

зависит от параметров трансформатора (отношения 

витков,  сопротивления  КЗ,  расположения  обмоток) 

и условий работы (напряжения, тока, коэффициента 

мощности  и  направления  перетока  мощности).  От-

метим, что перегрузка обычно также приводит к пе-

ревозбуждению (рисунок 11).

Случай  9.

  Локальный  перегрев  магнитопровода 

в  генераторном  трансформаторе.  В  генераторном 

трансформаторе 730 MВA был обнаружен перегрев 

соединений между крайними пакетами листов стали 

в  ярме  магнитопровода  (рисунок  12).  Анализ  кон-

струкции  показал,  что  средняя  индукция  в  стержне 

составляет 1,76 Тл. Однако в некоторых пакетах ли-

стов  стали  из-за  распределения  магнитного  потока 

и эффекта потока рассеяния индукция могла превы-

шать 1,9–2,0 Тл.

Случай  10.

  Необычно  высокая  концентрация 

фурана  в  масле,  вызванная  перегревом  магнито-

провода. Участки перегрева магнитопровода, нахо-

дящиеся в контакте с целлюлозными материалами, 

могут вызывать интенсивный пиролиз и выделение 

фурана.  При  изучении  состояния  трансформато-

ра  250  MВA,  15/400  кВ  на  тепловой  электростан-

ции  выявлены  признаки  значительного  перегрева 

изоляции: концентрация 2FAL= 19,2 ppm, CO = 899 

и CO

2

 = 1034 ppm. Однако причин ожидать какого-

либо значительного старения изоляции обмотки не 

было,  так  как  температура  участка  перегрева,  из-

меренная во время работы с фактической нагруз-

кой,  составляла  менее  85°C.  Визуальный  осмотр 

магнитопровода  и  обмотки  позволил  выявить,  что 

высокая  концентрация  фурфурола  обусловлена 

локальным перегревом магнитопровода и смежно-

го с ярмом листа изоляции. Перевозбуждение ярма 

происходило во время пуска агрегата, сопровожда-

ющегося возможным включением трансформатора 

при низкой частоте. Отметим, что магнитная индук-

ция — это функция отношения 

U

 

/

 

f

.

Заземление

 

магнитопровода

.

  Каждый  метал-

лический  элемент  магнитопровода  обычно  следует 

заземлять  в  одной  точке.  Однако  прямой  металли-

ческий  контакт  между  элементами  магнитопровода 

и нажимными пластинами на стержнях магнитопро-

вода и т.д. может привести к образованию контуров 

для  циркулирующего  тока,  связанного  с  потоком 

рассеяния. Это явление следует рассматривать от-

дельно  в  больших  силовых  трансформаторах,  где 

значение циркулирующего тока может достигать не-

скольких сотен ампер или даже килоампер. 

Дефекты

связанные

 

с

 

магнитным

 

потоком

 

рассеяния

 представляют главную проблему местно-

го перегрева масла и газовыделения. Их можно под-

разделить на две группы: 

 

– перегрев под действием вихревого тока, индуци-

рованного интенсивным потоком рассеяния;

 

– перегрев  и  (или)  искрение  в  контуре  для  цирку-

лирующего тока, связанного с потоком рассеяния.

В  первой  группе  типичными  дефектами  явля-

ются  перегрев  элемента  магнитопровода  из-за 

неправильного  расположения  магнитных  экранов 

Рис

. 11. 

Перевозбуждение

 

ярма

 

в

 

автотрансформаторе

 220/110 

кВ

 

под

 

дей

-

ствием

 

потока

 

рассеяния

 

и

 

изменения

 

напряжения

1,24

1,20

1,16

1,12

1,08

0,80

0,94

0,82

0,84

0,86

0,88

0,90

0,92

0,96

cos

B

ном

I

ном.

 = 1, 

U

ном.

 = 1

I

ном.

 = 1, 

U

ном.

 = 1,05

I

ном.

 = 1,1, 

U

ном.

 = 1

I

ном.

 = 1,1, 

U

ном.

 = 1,05

Рис

. 12. 

Следы

 

перегрева

 

и

 

обуглива

-

ния

 

ярма

 

магнитопровода

 

в

 

области

 

Т

-

соединения

 (

фаза

 

Б

)

 5 (62) 2020


Page 6
background image

116

(рисунок 13а), перегрев нажимного домкрата, рас-

положенного непосредственно под ярмом магнито-

провода (рисунок 13б), перегрев части стенки бака 

из-за неправильного экранирования.

Наблюдалось два механизма перегрева элемен-

тов, которые приводили к образованию контура для 

циркулирующего тока:

 

– неполный контакт в циркулирующем контуре;

 

– замыкание  между  элементами  магнитопровода 

с  образованием  контура  (замыкание  магнитных 

шунтов на магнитопровод и бак, замыкание нижне-

го ярма на бак, замыкание верхнего ярма на бак). 

Последнее  образует  контур  большого  размера, 

допускающий  повышение  индуцированного  напря-

жения  до  10  В,  что  приводит  к  нагреванию  и  дуго-

образованию. 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

 «

ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ

» 

МЕСТ

 

В

 

КОНСТРУКЦИИ

 

РПН

Большой  генераторный  трансформатор  (Т)  с  регу-

лятором или ПБВ (переключение без возбуждения) 

предопределяет  долгосрочную  работу  контактов 

в одном или двух положениях отвода и значительно 

усложняет конструкцию трансформатора. Во многих 

случаях  механические  и  изоляционные  характери-

стики  Т  определяются  состоянием  регулировочной 

обмотки и контактных соединений. 

Нередко выбранный тип РПН (регулирование на-

пряжения  под  нагрузкой)  имеет  низкое  отношение 

максимального  номинального  тока  переключателя 

к максимальному току трансформатора. Согласно IEC 

60542, это отношение должно составлять по крайней 

мере  120%,  и  превышение  температуры  контактов 

переключателя  над  температурой  масла  не  должно 

составлять  более  20°С.  Опыт  показал,  что  для  кон-

тактов,  которые  переключаются  редко,  превышение 

температуры должно быть менее 15°С. 

Недооценка резкого распределения импульсного 

напряжения  может  привести  в  некоторых  случаях 

к увеличению напряженности между ступенями и от-

носительно  земли  выше  испытательного  напряже-

ния РПН.

Многие отказы, связанные с коротким замыка-

нием  между  отводами  переключателя,  сопрово-

ждались  деформацией  регулировочной  обмотки. 

Фактически, редко какой Т проектируется так, что-

бы  противостоять  короткому  замыканию  между 

отводами  переключателя.  Соответственно,  срав-

нительно  незначительное  повреждение  в  РПН 

(например,  выгорание  сопротивления)  приводило 

к полному отказу и долгосрочному простою транс-

форматора. 

На  основании  опытных  данных  делается  вывод 

о  том,  что  необходимо  больше  внимания  уделять 

надежности переключателя контактора. Особо тща-

тельно нужно учитывать следующие факторы: 

 

– деградация  масла  при  старении  под  действием 

высокой  температуры  резисторов  (отложение 

побочных  продуктов  на  поверхности  изоляции 

вызывает  ухудшение  электрической  прочности, 

вряд ли возможно должным образом произвести 

фильтрацию смеси углерода, воды и полимеризи-

рованных побочных продуктов); 

 

– рост температуры шунтирующих контактов может 

иногда  превышать  рост  температуры  контактов 

избирателя и реверсора (это приводит к возник-

новению «слабого места», которому необходимо 

уделять  особое  внимание,  перегрев  контактов 

может  вызвать  пробой  между  фазами,  который 

влечет за собой взрыв и пожар). 

Случай  11.

  Перегрев  шунтирующих  контактов 

переключателя.  Было  установлено,  что  проблема 

с  переключателем  на  ток  1600  А  локализуется  на 

переключателе  контактора  и  вызвана  перегревом 

шунтирующих контактов. Перегрев был предположи-

тельно  обусловлен  ограниченным  движением  кон-

тактов РПН в эксплуатации, которые работали при-

мерно 5000 раз за 20 лет. Ограниченное движение 

характеризует  как  переключатель  контактора,  так 

и контакты переключателя избирателя и реверсора, 

однако состояние этих контактов значительно разли-

чается (рисунок 14).

Перегрев и коксование контактов с ограниченным 

количеством движений – это типичная и хорошо из-

вестная причина отказа, из-за которой частицы кон-

тактов появляются в изоляционном масле. Чаще дру-

гих страдали реверсивные контакты с минимальным 

числом срабатываний. Можно признать, что разница 

в устройстве контактов (и особенно разница в сопро-

тивлении и температуре контактов) может являться 

главным фактором.

Согласно IEC 60214, верхняя граница роста тем-

пературы  контактов  должна  на  20°С  превышать 

температуру  масла,  когда  протекает  ток  в  1,2  раз 

выше максимального номинального сквозного тока. 

Анализ  конструкции  показал,  что  шунтирующие 

контакты переключателя контактора имеют макси-

Рис

. 13. 

Локальный

 

перегрев

 

из

-

за

 

вихревого

 

тока

индуцированного

 

потоком

 

рассеяния

а

перегрев

 

ниж

-

него

 

ярма

 

и

 

изоляции

 

в

 

генераторном

 

трансформаторе

 

730 M

В

из

-

за

 

неправильного

 

расположения

 

магнитных

 

экранов

б

перегрев

 

нажимного

 

домкрата

 

в

 

генератор

-

ном

 

трансформаторе

 417 M

В

A

б)

а)

Рис

. 14. 

Сопоставление

 

состояния

 

переключателя

 

изби

-

рателя

 (

а

и

 

контактов

 

переключателя

 

контактора

 (

б

)

б)

а)

ДИАГНОСТИКА 

И  МОНИТОРИНГ


Page 7
background image

117

мальную температуру и требуют особого внимания 

(таблица 9). 

КАКУЮ

 

ДИАГНОСТИЧЕСКУЮ

 

ИНФОРМАЦИЮ

 

МОЖНО

 

ПОЛУЧИТЬ

 

ПО

 «

ОТПЕЧАТКАМ

 

ПАЛЬЦЕВ

»?

Напряжение

 

на

 

виток

.

  Это  основополагающий  па-

раметр конструкции, который позволяет определить 

индукцию магнитного потока, число витков в каждой 

обмотке  и  напряжение  между  витками,  катушками 

и отводами. Индукцию можно рассчитать, исходя из 

простого уравнения:

 

B

 = 

U

1 виток

 / (4,44 · 

f

 · 

S

), 

(6)

где 

f

 — частота, 

S

 — площадь поперечного сечения 

магнитопровода. 

Коэффициент

 

трансформации

.

  Это  хорошо  из-

вестный и часто используемый метод, хотя все еще 

есть  некоторое  непонимание  относительно  того,  как 

его  интерпретировать  и  применять.  Согласно  IEEE, 

этот метод достаточно точен, чтобы получить разни-

цу  между  рассчитанными  и  измеренными  данными 

в 0,5%. Этого достаточно, чтобы проверить, например, 

правильность соединения отводов 1,25–1,5%. Однако 

важно проверить разницу между числом витков обмо-

ток с точностью до одного витка. Для обмоток ВН раз-

ница  между  фазами  или  между  параллельными  ча-

стями на один виток может привести к значительному 

возрастанию потерь. Обмотка ВН может состоять из 

500–1000 витков, и точность измерения должна быть 

порядка 0,1–0,05%. Для получения надлежащей точ-

ности можно предложить несколько методов, напри-

мер, измерение отношение коэффициента трансфор-

мации  между  регулировочной  обмоткой 

и обмоткой, у которой есть сопоставимое 

число витков, а также тест с противопо-

ложным соединением параллельных ча-

стей обмотки ВН. 

Ток

 

намагничивания

.

  Ток  холостого 

хода состоит из индуктивной составляю-

щей (сам ток намагничивания), активной 

составляющей  и  емкостной  составляю-

щей  (рисунок  15).  Значение  емкостной 

составляющей  можно  получить  путем 

измерения тока холостого хода при раз-

ной частоте. Магнитный поток пропорци-

онален отношению тока намагничивания 

к  магнитному  сопротивлению.  Соответ-

ственно, любой дефект магнитной цепи 

приводит к изменению тока намагничивания. 

В  современных  Т  сочетание  высокого  качества 

стали  магнитопровода  (которое  требует  меньшей 

энергии  намагничивания)  и  высокой  емкости  на 

участке между витками (для регулирования распре-

деления импульсного напряжения) приводит к нако-

плению энергии между витками и появлению других 

составляющих тока изоляции, которые сопоставимы 

с энергией, накапливаемой в магнитопроводе. В та-

ких трансформаторах 

I

L

 может быть сопоставим с 

I

C

и  в  некоторых  Т  он  может  быть  даже  меньше,  что 

приводит к емкостному характеру измеряемого тока. 

Емкостная  составляющая  характеризует  значение 

емкости между витками и является, вероятно, един-

ственным  диэлектрическим  инструментом  по  выяв-

лению  деградации  изоляции  проводника,  особенно 

для обмотки переплетенного типа. 

Контроль

 

тока

 

возбуждения

 

в

 

ряде

 

положений

 

переключателя

.

  Ток  основного  отвода  зависит  от 

наличия  переключателя  и  его  конструкции,  то  есть 

наличия  предызбирателя,  возможности  включения 

по  мостовой  схеме  (в  переключателях  реакторного 

типа), последовательно включенной катушки и изме-

нения первичных витков. Эмпирические данные, по-

лученные в ряде положений отвода переключателя, 

представили  бы  характеристики  или  характерные 

признаки,  которые  необходимо  четко  понимать  для 

выявления аномалий. 

Потери

 

холостого

 

хода

.

 Важно обладать инфор-

мацией о величине потерь холостого хода в зависи-

мости от напряжения, учитывая возможный уровень 

перевозбуждения,  который  иногда  может  достигать 

более 110%. Значения потерь могут быть эффектив-

ным инструментом для выявления разницы в магнит-

ном сопротивлении сходных частей магнитной цепи, 

а  также  для  проверки  состояния  электромагнитной 

системы в случае появления симптомов аномалий. 

Поэтому  следует  рассмотреть  распределение  по-

терь между фазами. В трехфазном трансформаторе 

величина отношения потерь по фазам (A ≈ B) и C мо-

жет указать, например, имеет магнитопровод три или 

пять стержней.

Составляющая

 

потерь

 

рассеяния

 

как

 

диагнос

-

тический

 

инструмент

.

  Величина  потерь  под  на-

грузкой включает джоулевы потери 

(

I

i

2

 

R

i

), состав-

ляющую потерь рассеяния в обмотке 

P

рас.об.

, и потери 

рассеяния вне обмотки 

P

рас.вне

. Последние могут ис-

Табл. 9. Испытания на нагревание переключателя 2000 A и 1600 A

Узел

Элемент узла

Рост температуры, °C

Ток 2000 A Ток 2400 A

Переключа-

тель контак-

тора

Главная верхняя фиксиро-

ванная часть контакта 

12

17

Подвижный главный контакт 

13,5

18

Главный фиксированный 

контакт (нижний контакт)

12

16,7

Избиратель 

переключате-

ля 2000 A

Подвижные контакты

10

12

Соединительные контакты

10

13

РПН 1600 A

Шунтирующий контакт пере-

ключателя контактора

15,7

при 1600 A

21 расчет

для 1920 A

Рис

. 15. 

Составляющие

 

тока

 

холостого

 

хода

 

трансфор

-

матора

 5 (62) 2020


Page 8
background image

118

пользоваться  как  инструмент  для  определения  не-

которых  проблем  (например,  газообразования), 

которые  связаны  с  возникновением  контуров  для 

циркулирующего тока. Составляющая потерь рассе-

яния обмотки является, вероятно, единственным эф-

фективным инструментом для выявления короткого 

замыкания между параллельными проводниками:

 

P

OL

 = 

(

I

i

2

 · 

R

i

) + 

P

рас.об.

 + 

P

рас.вне

(7)

Отметим, что указанные потери под нагрузкой га-

рантировано являются не только экономическим, но 

и  надежным  техническим  фактором.  Дополнитель-

ные потери в одной из обмоток могут привести к ее 

ускоренной деградации. Поэтому измерение потерь 

под нагрузкой по фазам может использоваться и как 

обычный тест на заводе, и как часть программы тех-

нической диагностики.

Эквивалентное сопротивление, представляющее 

потери  рассеяния,  растет  при  увеличении  частоты 

в степени от 1,4 до 1,8:

 

R

рас

 = 

k

 · 

1,4...1,8

(8)

Следовательно,  изменение  частоты  при  изме-

рении  потерь  рассеяния  может  использоваться  как 

мощный диагностический инструмент. 

Сопротивление

 

обмотки

.

 Сопротивление обмот-

ки  измеряют,  чтобы  проверить  ее  на  наличие  ано-

малий, вызванных неплотными или поврежденными 

соединениями, поврежденными проводниками и вы-

соким сопротивлением контактов в переключателях 

отводов. Электрическую цепь для сопротивления об-

мотки можно представить как цепь из 4-х составляю-

щих:  сами  обмотки,  соединения,  неподвижные  кон-

такты соединений и вводов, и подвижные контакты 

переключателя (рисунок 16).

Информация  о  значении  сопротивления  каждой 

составляющей является для производителя такой же 

важной, как и исходные данные, так как она позволяет 

понять составляющие потерь и характеристики соеди-

нений, в том числе для гарантии качества. В рабочем 

режиме 

R

w

 и 

R

lead

 можно изменить только в случае пол-

ного повреждения трансформатора. Поэтому главной 

задачей испытаний при диагностике должно быть вы-

явление вероятных неадекватных характеристик кон-

тактов  (изменение 

R

LC

)  или  повреждение  контактов 

переключателя (изменение 

R

TC

). 

Значения  сопротивления  обмотки  обычно  нахо-

дятся  в  диапазоне  от  десятков  мкОм  (обмотки  НН) 

до единиц Ом, а значения сопротивления контактов 

переключателя  занимают  диапазон  40–300  мкОм. 

Очевидно, что при контроле сопротивления обмотки 

практически невозможно определить состояние кон-

тактов с использованием рекомендованной IEEE до-

пустимой разницы в 2%. 

Емкость отдельного участка изоляции (между об-

мотками, в зонах от обмотки до экрана, от обмотки 

до  земли  и  т.д.)  является  параметром,  который  ис-

пользовался до настоящего времени недостаточно. 

В сочетании с реактивным сопротивлением рассея-

ния емкость может служить количественной характе-

ристикой геометрии обмотки (и особенно — потери 

устойчивости обмотки). Значение емкости с маслом 

и  без  масла  позволяет  определить  оптимальное 

количество  масла  на  отдельном  участке  изоляции, 

а также оценить вероятную чувствительность изоля-

ционных характеристик к загрязнению. Емкости меж-

ду  обмотками,  между  обмоткой  и  стержнем,  между 

внешней обмоткой и баком можно рассчитать и из-

мерить отдельно. 

Значение 

tg

  потерь  и  значение  сопротивления 

изоляции зависят от относительного объема повреж-

денной изоляции, и информация о емкости изоляции 

опоры  обмотки  (прессованный  картон),  бака  пере-

ключателя и изоляции соединений может представ-

лять интерес для определения локального загрязне-

ния,  высокой  остаточной  влажности  и  расслоения. 

Рыжов  Г.М.  (Институт  трансформаторостроения, 

Запорожье)  предложил  следующее  уравнение  для 

оценки емкости изоляции обмотки:
 

к 

– 

м 

n

 · 

b

 

1 + — · —

 

м 

d

ср

C

o-o

 

≅ 

0,278 · 

к

 · 

h

 · ——,  (9)

к

 

S

 

к 

– 

м

 

к

 

n

 · 

b

 

— · — – — · — (1 – —)

 

м

 

d

ср

 

м

 

d

ср

 

d

ср

где 

n

 — число реек; 

b

 — ширина рейки; 

к

 — суммар-

ная ширина барьеров из прессованного картона; 

S

 — 

расстояние между обмотками; 

d

ср

 — средний диаметр; 

h

 — высота, см; 

к

м

 — диэлектрическая проницае-

мость  прессованного  картона  (обычно  5,5)  и  масла 

(2,1–2,3) в зависимости от содержания ароматики).

Сопротивление

 

короткого

 

замыкания

.

  Реак-

тивная  составляющая  сопротивления  короткого  за-

мыкания, а именно реактивного сопротивления рас-

сеяния  может  быть  эффективной  характеристикой 

деформации  обмотки.  Локальная  деформация  об-

мотки  приводит  к  некоторому  уменьшению  ее  диа-

метра и соответствующему изменению реактивного 

сопротивления рассеяния, определяемого известной 

формулой Роговского:
 

24,8 · 

I

ном.

 · 

n

 · 

 · 

RD

 

X

рас.обм.

 = ——, 

(10) 

 

U

1виток

 · 

H

 · 10

4

где 

RD

 (в cм

2

) определяется с использованием раз-

меров, указанных на рисунке 17, как

RD

 = 

b

1

 · 

R

/ 3 + 

c

 · 

R

12 

b

2

 · 

R

2

 / 3, 

(11) 

где 

I

ном.

  —  номинальный  ток; 

n

  —  число  витков; 

U

1виток

 — вольт на виток; 

 — коэффициент Роговско-

го; 

H

 = (

H

H

2

) / 2 — средняя высота обмоток.

Относительное изменение реактивного сопротив-

ления рассеяния можно выразить как

X

 = (

– 

X

0

) / 

X

0

 

≅ 

G

 · 

x

(12)

где 

X

0

 — исходное измеренное значение реактивного 

сопротивления рассеяния; 

X

 — последующее изме-

ренное реактивное сопротивление рассеяния; 

x

 — 

изменение среднего радиуса катушки; 

G

 — параметр 

конструкции, который определяется как

 

G

 = (

R

12 

– 

b

1

/3 – 

c

/2) / 

RD

(13)

Рис

. 16. 

Модель

 

для

 

контролируемой

 

цепи

 

сопротивления

 

обмотки

R

w

 — 

сопротивление

 

обмотки

R

lead

 — 

сопро

-

тивление

 

соединений

R

LC

 — 

переходное

 

сопротивление

 

соединений

R

TC

 — 

переходное

 

сопротивление

 

контактов

 

переключателя

 

R

w

R

lead

R

LC

R

TC

ДИАГНОСТИКА 

И  МОНИТОРИНГ


Page 9
background image

119

Таким  образом,  относительное  изменение  реак-

тивного сопротивления рассеяния может обозначать 

степень потери радиальной устойчивости как функ-

ция изменения среднего радиуса обмотки.

Например, в трансформаторе с тремя обмотками 

или автотрансформаторе с третичной обмоткой (ри-

сунок 18) можно ожидать радиальную потерю устой-

чивости  двух  обмоток:  общей  обмотки  и  третичной 

обмотки (обмотки низкого напряжения).

Потеря  устойчивости  общей  обмотки  приводит 

к увеличению зазора между общей и последователь-

ной обмотками, а также к уменьшению зазора между 

общей и третичной обмотками. Ее можно определить 

через относительное изменение реактивного сопро-

тивления  рассеяния 

X

,  имеющего  различные  обо-

значения для каналов рассеяния СН-ТО и ВН-СН. 

Уменьшение 

X

ВН-ТО

 до нуля и изменение отноше-

ния 

X

СН-ТО

 / 

X

ВН-СН

 — это характерный признак нали-

чия ошибки измерения и ее размера.

При потере устойчивости общей обмотки (СН) на-

блюдаются следующие соотношения 

X

СН-ТО

 ≈ 

G

СН-ТО

 · 

x

X

ВН-СН

 ≈ –

G

ВН-СН

 · 

x

X

ВН-ТО

 ≈ 0;

X

СН-ТО

 / 

X

ВН-СН

 ≈ 

const

.

При потере устойчивости третичной обмотки

X

ТО-СН

 ≈ 

G

ТО-СН

 · 

x

;

 

ТО-ВН

 ≈ 

G

ТО-ВН

 (

x

); 

X

ТО-ВН

 ≈ 0; 

X

ТО-СН

 / 

X

ТО-ВН

 ≈ 

const

Поэтому потерю устойчивости, связанную с тре-

тичной обмоткой, можно определить через относи-

тельное изменение LR, имеющее то же обозначе-

ние, что и для каналов рассеяния ТО-СН и ТО-ВН. 

Тест

 

на

 

превышение

 

температуры

.

  Крайне 

важно  понимать  температурный  профиль  транс-

форматора.  На  практике  единственным  источ-

ником  такой  информации  является  тест  на  пре-

вышение  температуры.  Однако  для  понимания 

тепловых  характеристик  трансформатора  было 

бы  недостаточно  данных  об  обычно  задаваемом 

значении  превышения  средней  температуры  над 

температурой масла и окружающей среды. 

Международная  электротехническая  комис-

сия сообщает, что «температура масла в верхней 

части,  когда  она  измеряется  во  время  теста  на 

превышение  температуры,  отличается  от  темпе-

ратуры масла на выходе из обмотки. Фактически, 

температура масла в верхней части — это смесь 

различных  масел,  которые  циркулировали  вдоль 

и(или) за пределами различных обмоток». Темпе-

ратура  масла  в  вертикальном  канале,  располо-

женном близко к обмотке, может быть значительно 

выше, чем температура масла в верхней части, но 

ее нельзя определить путем измерения темпера-

туры масла снаружи обмоток. 

Процесс  охлаждения  (нагревания)  выражается 

экспоненциальной функцией, и экстраполяцию тем-

пературы можно выполнить посредством определе-

ния показателя экспоненты. Мы предположили, что 

одной  экспонентой  описать  процесс  охлаждения 

обмотки и Т в целом невозможно. Фактически, мож-

но  говорить,  по  крайней  мере,  о  двух  экспонентах: 

передаче тепла от обмотки к маслу и передаче тепла 

большой части масла с учетом постоянной времени 

трансформатора  в  целом.  Соответственно,  данные 

испытаний на превышение температуры можно вос-

произвести зависимостью:

T

(

t

) = 

T

о-м

 · exp(

о-м

) + 

T

м-бак

 · exp(

охл

), (14)

где 

о-м

  —  это  постоянная  времени  быстрой  экспо-

ненты, которая описывает передачу тепла от обмот-

ки к маслу, а 

охл

 — постоянная времени системы ох-

лаждения масла.

Регрессия  (14)  имеет  коэффициент  корреляции 

r

 = 0,999, стандартное отклонение 

  =  0,129, и дает 

возможность оценить температуры масла в аксиаль-

ном канале и масла на выходе из обмотки. Оказалось, 

что температура верхних катушек обмотки примерно 

на 15°С выше температуры, рассчитанной по аппрок-

симации одной экспонентой.  

Рис

. 17. 

Геометрические

 

параметры

 

обмоток

b

1

b

2

R

12

R

1

R

2

H

2

H

1

c

Ст

ержень

магнит

опров

ода

ЛИТЕРАТУРА

5.  Girgis R., de Nyenhuis E. H2 Generation in Mildly 

Overheated Transformer Cores / IEEE/PES Trans-

formers  Committee  Fall  2002  Meeting,  October 

20-24, 2002 Oklahoma City, Oklahoma, USA.

6.  Preininger G. Operating Transformers / IEEE/PES 

Transformers  Committee  Spring  2003  Meeting, 

Raleigh, North Carolina. 

7.  Григоров И.Б. Потоки в магнитопроводах мощ-

ных  силовых  трансформаторов  и  автотранс-

форматоров с учетом потока рассеяния // Элек-

тротехника, 1975, № 4.

Рис

. 18. 

Относительное

 

изменение

 

реактивного

 

сопротивления

 

рас

-

сеяния

 

между

 

обмотками

 

в

 

случае

 

деформации

 

третичной

 

обмотки

TO

x

ВН

ВН

TO-СН

0,5

8

7

6

1,0

1,5

2,0

TO-(СН+ВН)

x

X

 5 (62) 2020


Читать онлайн

Продолжение статьи, опубликованной в № 4(61) журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» к 80-летию 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»