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
».
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
A
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
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
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
/
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
/
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
/
B
ном
I
/
I
ном.
= 1,
U
/
U
ном.
= 1
I
/
I
ном.
= 1,
U
/
U
ном.
= 1,05
I
/
I
ном.
= 1,1,
U
/
U
ном.
= 1
I
/
I
ном.
= 1,1,
U
/
U
ном.
= 1,05
Рис
. 12.
Следы
перегрева
и
обуглива
-
ния
ярма
магнитопровода
в
области
Т
-
соединения
(
фаза
Б
)
№
5 (62) 2020
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
A
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
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
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
·
f
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
1
/ 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
1
+
H
2
) / 2 — средняя высота обмоток.
Относительное изменение реактивного сопротив-
ления рассеяния можно выразить как
X
= (
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
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(
t
/
о-м
) +
T
м-бак
· exp(
t
/
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
CН
ВН
ВН
TO-СН
0,5
8
7
6
1,0
1,5
2,0
TO-(СН+ВН)
x
X
№
5 (62) 2020
Оригинал статьи: 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 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».