Проблемы и методы управления состоянием изоляции трансформаторов

Page 1

Page 2

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Проблемы и методы управления
состоянием изоляции
трансформаторов

Представлен

анализ

проблемы

эксплуатации

изоляции

трансформаторов

Проведена

оценка

влияния

влаги

на

электрическую

прочность

диэлектрические

характеристики

изоляции

скорость

окислительных

процессов

масле

температурного

старения

изоляции

Показано

влияние

увлажненности

на

срок

эксплуатации

нагрузочную

способность

трансформаторов

Проведен

анализ

нормативных

требований

области

оценки

изоляции

существующей

системы

мер

по

обеспечению

ее

работоспособности

Предложена

современная

АСУ

СИТ

O «TRANSEC».

Редькин

заместитель генерального директора по стратегическому развитию и инновациям АО «НПО «Стример»

Высогорец

д.т.н., руководитель направления мониторинга и управления техническим состоянием

трансформаторного оборудования АО «НПО «Стример»

иловой трансформатор (автотрансформа-

тор) является одним из важнейших эле-

ментов электрической сети. Значительный

парк трансформаторов находится в экс-

плуатации сверх нормативного срока. В ходе анали-

за аварийности было установлено, что 60% отказов

трансформаторов обусловлено нарушением элек-

трической изоляции [1], а наиболее повреждаемыми

элементами были определены обмотки (до 50% от-

казов) по причинам износа, увлажнения и загрязне-

ния изоляции, выгорания витковой изоляции и витков

обмотки [2, 3].

Принимая во внимание старение парка, аварий-

ность и значительную стоимость трансформаторов,

необходим анализ и поиск решений повышения их

надежности и долговечности.

РЕСУРСООПРЕДЕЛЯЮЩИЙ

ЭЛЕМЕНТ

ТРАНСФОРМАТОРОВ

Целлюлозная изоляция является ресурсоопреде-

ляющим элементом маслонаполненных трансфор-

маторов, а срок ее эксплуатации зависит от ряда

факторов: температуры, влагосодержания, качества

трансформаторного масла и процессов, происходя-

щих в нем. Так, при температу-

ре 90°С бумага в масле стареет

до степени полимеризации 360

примерно за 50 лет. При росте

температуры скорость старения

возрастает, таким образом, при

100°С старение происходит за

20 лет, а при 110°С — за 5 лет [4].

На скорость старения изоляции

также существенно влияет влага,

вызывающая необратимую гидро-

литическую деструкцию. Соответ-

ственно, при нормальной работе

замена трансформаторов по исте-

чении их назначенного срока экс-

Рис

. 1.

Образование

воды

при

тер

–

мическом

разложении

бумаги

СП

—

степень

полимеризации

; W —

коли

–

чество

влаги

, %

веса

бумаги

[6]

плуатации (25 лет) не оправдана [2, 5], а проведен-

ный капитальный ремонт позволяет восстановить его

надежную работу. Однако при значительном увлаж-

нении, загрязнении изоляции для ее восстановле-

ния требуется дорогостоящий капитальный ремонт,

при котором работы по восстановлению изоляции

могут занимать от 25% до 50% общей длительности

(от 3 до 7 дней в зависимости от исходного состо-

яния изоляции). При этом невозможно восстановить

состаренную изоляцию, вместе с этим можно умень-

шить скорость ее старения.

ВЛАГА

КАК

ОДИН

ИЗ

КЛЮЧЕВЫХ

ФАКТОРОВ

ВЛИЯЮЩИХ

НА

ЭКСПЛУАТАЦИЮ

ТРАНСФОРМАТОРОВ

Состояние изоляционной системы вносит существен-

ный вклад как в общую надежность трансформатора,

так и в долговечность и эффективность его эксплуа-

тации. Одним из факторов, влияющих на состояние

изоляции, является наличие влаги.

Главным источником воды в трансформаторе

является атмосферная влага, которая проникает

в трансформатор вместе с воздухом через несовер-

шенные системы защиты от увлажнения [6], а также

через уплотнения (в случае их де-

фекта) под воздействием градиен-

та давления. Вторым источником

появления воды в трансформато-

ре являются процессы старения

твердой изоляции и масла, где

влага является одним из продук-

тов старения. Если целлюлозная

изоляция сильно состарилась

(механическая прочность бумаги

на разрыв уменьшилась более

чем вдвое), выделение воды в ре-

зультате воздействия темпера-

туры значительно увеличивается

(рисунок 1).

Page 3

При этом вода раство-

ряется в масле в очень не-

больших количествах, а ее

растворимость зависит от

температуры и химического

состава масла [7]. Например,

в масле ГК (ТУ 38101.1025-

85) с содержанием аромати-

ческих углеводородов 1,6%

растворимость воды при

20°С составляет 37 г/т, при

40°С — 85 г/т, при 70°С —

270 г/т. Соответственно, при

резких изменениях условий,

например, при сбросе нагруз-

ки с быстрым понижением тем-

пературы масло может ока-

заться перенасыщенным, вла-

га выделится в виде эмуль-

сии — мелких капель, которые имеют тенденцию

осаждаться на твердых включениях, имеющихся

в масле, и таким образом влиять на изоляционные

характеристики [8].

Вследствие изменения температуры при изме-

нении нагрузки трансформатора и атмосферных

условий в работающем трансформаторе происхо-

дит постоянное перераспределение влагосодер-

жания между твердой изоляцией и маслом.

Увлажнение твердой изоляции трансформато-

ров в эксплуатации происходит путем миграции

влаги из масла. При этом насыщающее значение

влагосодержания целлюлозной изоляции, в отли-

чие от масла, практически не зависит от темпера-

туры и составляет около 17% [8].

Влага в трансформаторе оказывает влияние

на ухудшение электрической прочности и ди элек-

три чес ких свойств изоляции. Растворенная вла-

га (до точки насыщения) практически не влияет

на электрическую прочность трансформаторно-

го масла. Однако ее влияние существенно воз-

растает в присутствии механических примесей.

При увлажненности твердой изоляции около 1%

электрическая прочность изоляции практически

не снижается, однако при этом значительно сни-

жается напряжение начала образования ЧР [8].

Ухудшение диэлектрических характеристик ведет

к росту потерь с повышенным тепловыделением,

соответственно к тепловому пробою и местному

перегреву изоляции [9]. В ходе эксплуатации вла-

га может перемещаться и ее содержание может

достигать критических значений в наиболее на-

пряженных местах.

Влага влияет на ускорение окислительных про-

цессов в трансформаторном масле, скорость тем-

пературного старения целлюлозы и ее гидроли-

тическую деструкцию, что ведет к снижению ме-

ханической стойкости бумажной изоляции. Так,

скорость разложения бумаги приблизительно про-

порциональна количеству содержащейся в ней

воды, что справедливо при содержании влаги в бу-

маге от 0,3% до 7% и при относительно небольшой

степени разрушения бумаги. Например, при увлаж-

Рис

. 2.

Зависимость

ожидаемого

срока

экс

–

плуатации

трансформатора

от

темпера

–

туры

эксплуатации

влажности

твердой

изоляции

Температура, °С

Ожидаемый

срок эк

сплу

ат

ации, ле

ненности твердой изоляции

3% скорость теплового ста-

рения бумаги будет проте-

кать в 30 раз быстрее, чем

при влагосодержании 0,3%.

При значительном износе

бумажной изоляции влия-

ние влаги становится более

заметным [8].

Таким образом, влага

оказывает влияние на срок

эксплуатации изоляции. На

рисунке 2 отражена зависи-

мость расчетного срока экс-

плуатации трансформатора

от увлажненности твердой

изоляции и температуры его

эксплуатации [10].

Из рисунка 2 следует, что

при температуре эксплуатации трансформатора

90°С и при влажности бумажной изоляции, рав-

ной 1%, расчетный срок службы трансформатора

составит приблизительно 14 лет, а при влажности

твердой изоляции 3% и той же температуре экс-

плуатации расчетный срок службы трансформато-

ра составит примерно 2 года, то есть срок эксплуа-

тации снижается в 6 раз.

Количеством воды определяется способность

трансформатора работать под высокой нагрузкой.

Влагосодержание изоляции ограничивает предел

нагрузки трансформатора из-за снижения темпе-

ратуры образования пузырьков воздуха [11]. Так

под пузырьковым эффектом («buble eﬀ ect») пони-

мают стремительное освобождение водного пара

из бумажной изоляции трансформатора, вызван-

ного увеличением температуры обмоток свыше

критической, что ведет к увеличению давления

внутри бака трансформатора — к аварии. Соответ-

ственно, трансформатор, например, с влажностью

изоляции 0,5% будет способен работать при почти

вдвое более высокой температуре, чем трансфор-

матор с влажностью изоляции 3% [11].

Таким образом, обеспечение оптимальной

увлаж ненности изоляции трансформатора суще-

ственно влияет как на срок ее службы, так и на без-

аварийность эксплуатации.

ПРЕДЕЛЬНЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

УВЛАЖНЕННОСТИ

ИЗОЛЯЦИИ

ТРАНСФОРМАТОРА

Различные нормативные требования в области

контроля влажности изоляции представлены на

рисунке 3.

Согласно рисунку 3 можно отметить, что сте-

пень влажности до 2% определяет «сухую» изо-

ляцию. Степень влажности от 2% до 3% опреде-

ляют «среднее увлажнение изоляции», а все, что

выше 3%, определяют «влажную» или «чрезмерно

влажную» изоляцию (за исключением нормативов

ПАО «Россети»). В отношении требований увлаж-

ненности у ПАО «Россети» следует отметить, что

для трансформаторов, отработавших установ-

№

3 (66) 2021

Page 4

ленные нормативные сроки,

«допускается значение влаго-

содержания твердой изоляции

эксплуатируемых трансформа-

торов — 4% по массе» [12, п. 9.3].

Таким образом, указанные нор-

мы позволяют эксплуатировать

трансформаторы со сниженной

надежностью.

Для поддержания удовлетво-

рительного состояния изоляции

работающих трансформаторов

применяется система мер. Не-

достатки классической системы

мер отражены в таблице 1.

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Рис

. 3.

Нормативные

требования

степени

увлажненности

изоляции

, %)

трансформаторов

Табл. 1. Недостатки классической системы мер

оценки состояния изоляции работающих трансформаторов

Недостатки мер на

работающем оборудовании

Недостатки мер

на обесточенном оборудовании

Воздухоосушительные

фильтры

Текущие, средние ремонты

1. Низкая эффективность мо-

делей старой конструкции.

2. Фильтры не предназначены

для осушки масла.

1. Низкая эффективность осушки чрез-

мерно влажной изоляции. В ряде

случаев краткосрочный эффект.

2. Ограничения по продолжительности

выполняемых работ.

3. Ограничения по мощности приме-

няемых технологических установок

(маслоочистительных).

Термосифонные /

адсорбционные фильтры

Капитальные ремонты

1. Фильтры не предназначены

для осушки масла.

2. Низкая эффективность

в увлаж ненных маслах.

3. Зависимость эффектив-

ности работы от нагрузки

трансформатора.

4. Ревизия приоритетно про-

водится на обесточенном

оборудовании.

1. Требуется наличие специальной ос-

настки и спецподготовки персонала.

2. Ограничения по продолжительности

выполняемых работ.

3. Конструктивные ограничения в при-

менении ряда методик обработки

изоляции.

4. Ряд методик имеют негативное воз-

действие на изоляцию (ослабленную

изоляцию) — высокотемпературный

нагрев.

Рис

. 4.

АСУ

СИТО

«TRANSEC»:

1 —

выпускной

клапан

(

возврат

масла

трансформатор

);

2 —

деаэратор

;

3 —

пробоотборный

клапан

на

выходе

;

4 —

датчик

влагосодержания

темпера

–

туры

масла

на

выходе

;

5 —

фильтр

микрочастиц

;

6 —

промежуточный

воздухоперепускной

клапан

;

7 —

быстроразъемные

муфты

;

8 —

цилиндры

молекулярным

ситом

(

цеолит

);

9 —

шкаф

блока

контроля

мониторинга

(

опция

);

10 —

стравливающий

воздушный

клапан

;

11 —

фильтр

предочистки

масла

;

12 —

датчик

влагосодержания

темпера

туры

масла

на

входе

;

13 —

индикатор

потока

;

14 —

насос

;

15 —

пробоотборный

клапан

на

входе

;

16 —

впускной

клапан

(

вход

масла

модуль

);

17 —

рама

СОВРЕМЕННАЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ

СИСТЕМА

УПРАВЛЕНИЯ

СОСТОЯНИЕМ

ИЗОЛЯЦИИ

ТРАНСФОРМАТОРНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

—

АСУ

СИТО

Для повышения эффективности эксплуатации трансформаторов,

в том числе за рамками нормативного срока эксплуатации, разра-

ботана АСУ СИТО «TRANSEC» (торговая марка от анг. Transformer

security — безопасность трансформатора).

Система представляет собой адсорбционные колонны специ-

альной конструкции, наполненные молекулярными сита ми, осна-

щенные системой мониторинга для автоматического управления

режимами работы (рисунок 4).

Технологический процесс сушки работающего трансформато-

ра системой TRANSEC разработан для обеспечения безопасной

работы в течение 24 часов в сутки без участия обслуживающего

персонала. В контур трансформатора встраивается циркуляцион-

ный насос, прокачивающий масло со скоростью 60–450 л/час че-

рез 3 (модель CL3) или 1 (модель CL1) фильтра.

Page 5

Всасывающая линия подсоединена

к донному заливочному крану трансфор-

матора, масло возвращается из уста-

новки в трансформатор через вентиль

в верхней части бака. С помощью одного

комплекта цилиндров (3 шт.) можно уда-

лить до 11 литров воды. Система имеет

облегченный монтаж на работающий

трансформатор, который длится не более

4–5 часов.

АСУ СИТО «TRANSEC» осна щена сис-

темой датчиков, осуществляющих измере-

ние влаги масла в PPM и температуру (°С).

Система мониторинга TRAN SEC по разрабо-

танным алгоритмам производит расчет влагосо-

держания бумаги в %, определяет насыщение

цилиндров. Все сведения выводятся на дисплей

(рисунок 5) и транслируются в SCADA и мобиль-

ные приложения.

Дополнительно АСУ СИТО «TRANSEC» оснащена

системой защиты от протечек и перегрузки насоса.

Функциональными преимуществами TRANSEC

являются: работа системы на оборудовании под

нагрузкой/напряжением в круглосуточном режи-

ме; работа в автоматизированном режиме; само-

диагностируемая система; эффективная система

комплексного воздействия на изоляцию в щадя-

щем режиме (осушка твердой изоляции и жидкого

диэлек трика).

АСУ СИТО «TRANSEC» прошла успешную апро-

бацию на крупных производственных объектах: ПАО

«Россети», АО «Металлургический завод «Петро-

сталь», ООО «Газпром энерго», Корпорации Казах-

мыс. На работающих трансформаторах из изоляции

было удалено от 3 до 8 литров воды, соответственно

восстановлены изоляционные характеристики, ИТС

доведен до значений не менее 80.

Срок окупаемости системы составляет не более

4 лет и приоритетно формируется за счет эконо-

мии затрат на капитальные ремонты (уменьшения/

исключе ния объема работ по восстановлению изо-

Рис

. 5.

Дисплей

системы

мониторинга

АСУ

СИТО

«TRANSEC»

ляции) и экономии амортизационных отчислений

(увеличения долговечности трансформаторов на

15–20 лет). Дополнительный экономический эффект

ожидается за счет снижения затрат на аварийно-вос-

становительные работы (уменьшения количества

и последствий отказов трансформаторов).

ВЫВОДЫ

Изоляция трансформаторов является ресурсо-

определяющим элементом. Обеспечение опти-

мальной увлажненности изоляционной системы

трансформаторов существенно влияет как на срок

ее службы, так и на безаварийность эксплуатации.

Анализ нормативных требований в области кон-

троля изоляции показал их широкое разнообра-

зие. При этом требования ПАО «Россети» являют-

ся наименее жесткими и допускают эксплуатацию

трансформаторов с влажной (чрезмерно влажной)

изоляцией в сравнении с европейскими стандар-

тами (и основными российскими). Существующие

традиционные способы поддержания удовлетво-

рительного состояния изоляции трансформаторов

малоэффективны.

Предложена современная автоматизированная

система управления состоянием изоляции транс-

форматоров — АСУ СИТО «TRANSEC», позволяю-

щая повысить эффективность и продлить срок экс-

плуатации трансформа тора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соколов В.В., Лукащук В.А. Вопро-

сы оценки и обеспечения надеж-

ности силовых трансформаторов

/ Соколов В.В. Избранные труды.

Сост. А.Г. Овсянников, В.Н. Осо-

тов, В.Н. Бережной. Екатеринбург:

Издательский дом «Автограф»,

2010. С. 22–30.

2. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю.,

Неклепаев Б.Н., Антипов К.Н., Сур-

ба А.С., Чичинский М.И. О повреж-

дениях силовых трансформаторов

напряжением 110–500 кВ в эксплу-

атации // Электрические станции,

2001, № 9. С. 53–58.

3. Статистические данные о повреж-

дении трансформаторов. Обзор

12-го комитета СИГРЭ. URL: http://

leg.co.ua/transformatory/praktika/

pozharobezopasnost-silovyh-trans-

for matorov-2.html.

4. Stannett A.W. Problems of water

in power transformers. The New

Zealand electrical Journal, 1966,

25 June, pp. 163-166.

5. Алексеев Б.А. Контроль состояния

(диагностика) крупных силовых

трансформаторов. М.: Изд-во НЦ

ЭНАС, 2002. 216 с.

6. Fabгe J., Piсhоn A. Deteriorating

processes and products of paper

in oil. Application to transformers,

CIGR’E, 1960, 137 p.

7. Griﬃ n P., Socolov V. Moisture

equilibrium and moisture migration

within transformer insulation. CJGRE

WG 12.18, Site management of

transformers.

8. Силовые трансформаторы: спра-

вочная книга. Под ред. С.Д. Лизу-

нова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиз-

дат, 2004. 616 с.

9. Кучинский Г.С., Кизиветтер В.Е.,

Пинталь Ю.С. Изоляция установок

высокого напряжения. М.: Энерго-

атомиздат, 1987. 368 с.

10. Lundgaard L.E., Hansen W., Linh-

jell D., Painter T.J. Ageing of oil-im –

pregnated paper in power trans-

formers / IEEE PWRD, 2003.

11. Frimpong G.K., Perkins M., Fazlagic

A., Gafvert U. Estimation of Moistiure

in Cellulose and Oil Quality of Trans-

former Insulation using Dielectric Re-

sponse Measurements, Doble Client

Conference, Paper 8M, 2001.

12. СТО 34.01-23.1-001-2017. Объем

и нормы испытаний электрообо-

рудования. Стандарт организации

ПАО «Россети». Дата введения:

29.05.2017. М.: ПАО «Россети»,

2017. 262 с.

№

3 (66) 2021

Оригинал статьи: Проблемы и методы управления состоянием изоляции трансформаторов

Читать онлайн

Представлен анализ проблемы эксплуатации изоляции трансформаторов. Проведена оценка влияния влаги на электрическую прочность и диэлектрические характеристики изоляции, скорость окислительных процессов в масле и температурного старения изоляции. Показано влияние увлажненности на срок эксплуатации и нагрузочную способность трансформаторов. Проведен анализ нормативных требований в области оценки изоляции и существующей системы мер по обеспечению ее работоспособности. Предложена современная АСУ СИТO «TRANSEC».