Как определить степень износа изоляции трансформатора

Срок службы трансформаторов — Оценка фактического ресурса изоляции трансформатора

Нормирование ресурса по условию снижения степени полимеризации (СП)

Степень деструкции изоляции обычно характеризуется числом разрывов молекулы целлюлозы или фактором старения л, который может быть представлен через начальное и текущее (конечное) значения степени полимеризации. При этом изоляция считается полностью изношенной, если число разрывов достигло 5.
При измерении средней вискозиметрической степени полимеризации по МЭК 60450 с использованием медно-этилендиаминового растворного комплекса начальное значение СП новой кабельной бумаги равно примерно 1200 и, соответственно, 5 разрывов молекулы целлюлозы соответствует СП = 200.
В таком состоянии остаточная прочность бумаги на разрыв составляет примерно 20% от исходной. Лабораторные исследования показывают, что изоляция, имеющая СП = 200, становится очень хрупкой, так что продолжение эксплуатации связано с риском повреждения. Проект МЭК 60076-7 от 1.7.01 определяет окончание срока службы изоляции при снижении степени полимеризации в наиболее нагретой зоне до 200 единиц.
Уменьшение прочности бумаги на разрыв вдвое против исходного ее состояния считают симптомом дефектного состояния изоляции. При этом степень полимеризации (СП) снижается до 400-450К

Оценка ресурса изоляции по изменению СП

Ресурс изоляции по условию снижения СП до некоторого критического значения.
Основным фактором старения изоляции является температура. Увеличение температуры примерно на 7°С при прочих одинаковых условиях снижает ресурс в два раза (действующий МЭК предполагает 6-градусное правило). Соответственно для оценки СП участков изоляции, имеющих отличие температуры на 7°С.
Значения СП, определяемые по ГОСТ 25438—82 в растворе кадоксена, отличаются существенно большими (в 2 раза) абсолютными значениями СП по сравнению с измерениями по МЭК 60450. Для новой кабельной бумаги исходные значения составляют примерно 2000 ед. Условие 5 разрывов молекулы соответствует критическому значению СП примерно 330 ед., а указанное в Нормах РАО ЕЭС России предельное значение СП = 250 при условии испытания по ГОСТ 25438—82 формально соответствует значению -125, измеренному по методике МЭК. Здесь и далее все значения СП даны по методике МЭК.

Таблица 1. Значения показателя скорости старения А, рассчитанные по данным опытов

Показатель скорости старения А

По данным Emsley

По данным Lundgaard (СИГРЭ)

Повышенное содержание кислорода

Однако установлено, что влага и продукты старения масла, особенно активные кислоты, могут ускорить процесс декомпозиции изоляции в два и более раза. Во многих случаях внутренние слои изоляции, прилегающей к проводнику, оказываются менее состаренными, чем внешние слои изоляции, обращенные к маслу.
Показатель скорости старения А (характеризующий увеличение скорости старения благодаря влиянию влаги, кислорода и кислот) варьируется в довольно широких пределах, однако имеющиеся данные (табл. 1) позволяют оценить раздельное влияние основных факторов старения.

Например, измеренное значение СП изоляции составило 600. Согласно табл. 2 коэффициент старения изоляции, содержащей продукты окисления при условии дальнейшей работы при температуре 90 °С равен к — 2,6- 10-8.
Старение целлюлозной изоляции имеет необратимый характер, однако процесс старения может быть существенно замедлен как технологическими мерами (удаление продуктов старения, кислорода, растворенных металлов и пр.) так и конструктивными (улучшение охлаждения и снижение температуры, улучшение защиты от проникновения воздуха и воды, применение материалов повышенной стабильности против окисления и пр.).
Таблица 2. Коэффициент старения Крафт-бумаги

Состояние изоляции и масла в начале старения

Сухая; не окисленное масло А = 1,5- 108

Сухая; окисленное масло А = 2,4- 108

Сухая; высокая концентрация кислорода А = 5,5 • 108

70 (343 К) 80 (363 К) 90 (363 К) 100 (373 К) 110 (383 К)

0,2- 10″8 0,56- 10-8 1,6- 10-8 4,3- 10~8 10,9- 10~8

0,3- 10″8 9,9- 10″8 2,6- 10~8 6,9- 10~8 17,5- 10~8

0,7- 10-8 2,1 • 10-8 5,9- 10~8 15,7- 10~8 40- 10″8

0,8- 10~8 2,45- 10″8
6,9- 10~8 18,6- 10-8
47- 10~8

Измерение степени полимеризации

Практически СП измеряют на образцах изоляции, отобранных из доступных мест, где надежность не может быть существенно нарушена. Обычно это образцы электрокартона или бумаги из перегородок, угловых шайб, отводов. Важным условием является определение температуры в зоне отбора пробы. Желательно, чтобы место отбора было расположено вблизи выхода нагретого масла из обмотки. Для ориентировочной оценки могут быть использованы также образцы целлюлозной изоляции (обычно картон различной толщины), которые, как правило, закладываются при изготовлении больших трансформаторов. Образцы крепятся к активной части и доступны для изъятия с целью определения их влагосодержания или СП.

Рис. 6. Вид новой (СП = 1100) и состаренной (СП < 200) целлюлозы.
Полученное значение должно быть скорректировано на значение разницы температуры наиболее нагретой зоны и температуры в месте отбора пробы.
Температура наиболее нагретой зоны определяется расчетом на основании анализа конструкции и условий эксплуатации. Для оценки влияния на степень старения продуктов старения масла и влаги может быть измерена раздельно средняя СП образцов и поверхностных слоев изоляции.

Рис. 7. Степень полимеризации витковой изоляции блочного трансформатора 730 МВ-А, 420 кВ.

Учет температурного профиля обмоток

Температура различных зон изоляции существенно отличается, что соответственно обуславливает неравномерный износ изоляции.
Температурный профиль разных обмоток также отличается друг от друга. Часто температура внутренних обмоток выше, чем температура внешних обмоток такой же мощности. Соответственно СП изоляции внешних обмоток может не отражать наибольший износ изоляции в наиболее нагретой зоне.
На рис. 7 показан профиль износа витковой изоляции блочного трансформатора, у которого температура верхних катушек обмоток НН почти на 20°С превышает температуру верхних катушек ВН.
Для достоверной оценки степени старения изоляции необходимо знание температурного профиля обмоток трансформатора с учетом фактического нагрузочного и теплового режима трансформатора. Обычно из результатов испытаний на заводе известно среднее превышение температуры обмоток над маслом при номинальной нагрузке. Температура наиболее нагретых катушек обмотки превышает ее среднюю температуру, как правило, не более чем на 13 °С.
При возможности следует определить реальную степень деструкции и профиль износа изоляции хотя бы одного из однотипных трансформаторов для выбора зон последующего отбора проб для определения СП и коррекции полученных результатов на возможную степень износа изоляции в наиболее нагретой зоне.

Физико-химические методы оценки состояния силовых трансформаторов в условиях эксплуатации. Показатели оценки состояния бумажной изоляции.

В процессе эксплуатации силового трансформатора целлюлозная изоляция обмоток претерпевает деградацию, обусловленную развитием процессов деструкции и дегидратации, сопровождающихся ухудшением ее физико-химических свойств. Это проявляется в снижении механической прочности, окислении и образовании пор, хемосорбции кислых продуктов, образующихся в процессе старения трансформаторного масла, а также соединений металлов переменной валентности.

Из-за сложного взаимодействия параллельных и последовательных химических процессов, приводящих к деградации, и большого количества влияющих факторов, не представляется возможным прогнозировать степень износа изоляции обмоток путем анализа воздействий эксплуатационных факторов. Следует так же отметить, что электрическая прочность пропитанной маслом бумаги в результате ее старения существенно не изменяется, так как разрушенные участки целлюлозной изоляции немедленно заполняются маслом и электрические показатели (сопротивление и тангенс угла диэлектрических потерь изоляции) существенно не изменяются и не могут служить индикаторами старения.

Оценка износа изоляции обмоток для каждого конкретного трансформатора должна включать непосредственный анализ физико-химического состояния целлюлозной изоляции и сопутствующих показателей, свидетельствующих о степени развития ее деградации. При этом необходимо иметь набор диагностических признаков, позволяющих объективно оценивать степень износа изоляции и принимать решение о возможности и целесообразности дальнейшей эксплуатации трансформатора.

Формирование набора диагностических признаков должно основываться на анализе физико-химических процессов, происходящих в целлюлозной изоляции под воздействием эксплуатационных факторов. Среди этих факторов можно выделить наиболее значимые в плане влияния их на скорость развития деградации: электрическое поле, температура, наличие воздуха (кислорода), наличие химически активных примесей (продуктов старения), наличие влаги.

К настоящему времени накоплен достаточно обширный фактический материал по влиянию на целлюлозу различных факторов. Это позволяет выделить основные физико-химические процессы, приводящие к деградации изоляции обмоток в процессе эксплуатации силовых трансформаторов:

• каталитический кислотный алкоголиз;
• термическая деструкция и дегидратация;
• гидролиз целлюлозной изоляции;
• окислительная деструкция при воздействии кислых продуктов старения масла и содержащихся в нем окислителей.

Существенное влияние на ускорение старения целлюлозной изоляции в среде жидкого диэлектрика оказывает электрическое поле. Оно усиливает воздействие практически всех физико-химических факторов, а также способствует адсорбции на поверхности целлюлозной изоляции продуктов старения трансформаторного масла и конструкционных материалов.

Воздействие электрического поля ускоряет и другой важный процесс деградации целлюлозы — каталитический кислотный алкоголиз при действии гидроксилсодержащих углеводородов (спиртов) в присутствии низкомолекулярных органических кислот и других продуктов, образующихся в масле в процессе старения. Высокая степень влияния этого процесса на деградацию изоляции обмоток обусловлена тем, что трансформаторное масло по своим физико-химическим характеристикам является лучшим пластификатором для целлюлозной изоляции, чем вода. Наличие в целлюлозной изоляции участков с сильным межмолекулярным взаимодействием, т.е. полностью «кристаллических», недоступных для масла областей, в общем случае составляет не более 20%, и с увеличением времени эксплуатации будет уменьшаться под действием электрического поля и других эксплуатационных факторов (температуры, наличия химически активных примесей и др).

Гидролиз целлюлозной изоляции, протекающий параллельно с процессом кислотного алкоголиза, по сравнению с ним вносит существенно меньший вклад в общий процесс деградации. Это обусловлено достаточно низким содержанием влаги в изоляции трансформатора при нормальной его эксплуатации.

Важным фактором старения целлюлозной изоляции является ее термолиз, вызванный повышенной температурой. Под воздействием высокой температуры (более +90°С) в целлюлозной изоляции, помимо ускорения перечисленных выше процессов, активизируются также процессы термической деградации — деструкция и дегидратация в аморфных и мезоморфных областях с образованием фурфурола и фурановых соединений.

Наряду с указанными процессами деградации, в процессе эксплуатации происходит окислительная деструкция целлюлозной изоляции при воздействии кислых продуктов старения масла и содержащихся в них окислителей. Этот процесс приводит к образованию в макромолекулах полимера окисленных (главным образом карбоксильных) групп и нарушениям в ее структуре. Разрушение структуры целлюлозной изоляции и образование окисленных групп приводит к хемосорбции низкомолекулярных продуктов деструкции, а также кислых продуктов старения масла, ионов меди и железа, образующихся при коррозии металлических компонентов трансформатора в процессе его эксплуатации. Данный процесс сопровождается выделением в масло оксида и диоксида углерода, а визуальным признаком каталитической термоокислительной деструкции целлюлозной изоляции обмоток является ее темно-коричневый цвет.

Рассмотренные процессы деградации целлюлозной изоляции обмоток (каталитический кислотный алкоголиз, термическая деструкция и дегидратация, гидролиз и окислительная деструкция) являются наиболее значимыми и приводят к снижению механической прочности бумаги и образованию воды.

Для оценки состояния бумажной изоляции обмоток предусмотрено два метода:

• по наличию фурановых соединений в масле;
• по степени полимеризации образцов изоляции.

Следует отметить, что деструкция целлюлозной изоляции в процессе эксплуатации трансформатора может сопровождаться выделением в трансформаторное масло фурановых соединений: фурфурол (2-фурфурол), 5-гидроксиметилфурфурол, фурфуриловый спирт, 2-ацетилфуран, метилфурфурол (2 -метил-2 -фурфурол) и ряда других, основными из которых следует считать фурфурол и гидроксиметилфурфурол. При этом, согласно полярности, 80% фурфурола растворяется в изоляционном масле, а гидроксиметилфурфурол в большей степени адсорбируется на бумажной изоляции, чем переходит в трансформаторное масло.

Допустимое значение содержания фурановых соединений (ограничивающего область нормального состояния) установлено не более 0,0015% массы (в том числе фурфурола — 0,001% массы). Однако выход этих соединений в процессе деградации изоляции не является стехиометрическим в отношении числа разрывов в средней по массе макромолекуле целлюлозы. Поэтому данный показатель не отражает реально степень деструкции целлюлозы. Наличие в масле фурановых соединений может свидетельствовать лишь о локально протекающем процессе деструкции и не отражает динамику деградации целлюлозной изоляции. К тому же фурановые соединения разлагаются в кислой среде с образованием продуктов нефуранового типа. Кроме того, при наличии в трансформаторе термосифонного фильтра образующиеся фурановые соединения адсорбируются на силикагеле и распадаются в кислой среде.

Объективным показателем, позволяющим оценивать степень износа изоляции обмоток, является степень полимеризации, прямо характеризующая глубину ее физико-химического разрушения в процессе эксплуатации. При этом снижение степени полимеризации имеет монотонную зависимость и отражает монотонное уменьшение механической прочности изоляции, что определяет детерминированную диагностическую ценность использования данного показателя.

Как указывалось выше, для оценки состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов предусмотрено измерение степени полимеризации образцов этой изоляции. При этом ресурс бумажной изоляции обмоток считается исчерпанным при снижении значения степени полимеризации до 250 единиц.

Для объективной оценки износа изоляции обмоток трансформатора необходимо проводить измерение степени полимеризации образца витковой изоляции, отобранной в одной из верхних катушек. Отбор образца витковой изоляции может быть выполнен на отключенном трансформаторе, как при капитальном ремонте, так и при осуществлении частичного слива масла. Представительность заложенного в трансформатор образца целлюлозной изоляции, а также образцов барьерной изоляции, в отношении достигнутого уровня деструкции изоляции обмоток не обеспечивается в полной мере, поскольку такие образцы расположены в баке трансформатора в условиях, не отвечающих наиболее нагретой зоне.

В отношении деструкции витковой изоляции обмоток необходимо отметить, что достижение значения 250 ед. может оцениваться, как не менее чем четырехкратное снижение механической прочности изоляции по отношению к исходной. Это резко повышает риск возникновения витковых замыканий и повреждения трансформатора при возникновении механических усилий, в первую очередь при протекании сквозных токов коротких замыканий.

Значимость процесса дегидратации напрямую связана со степенью износа бумажной изоляции обмоток. Если выход воды из бумаги, имеющей степень полимеризации более 300 ед., составляет порядка 10 -3 . 10 -2 % массы и не оказывает существенного влияния на работоспособность изоляции, то при достижении значений степени полимеризации ниже 250 ед. выход воды из-за дегидратации может составлять более 6% массы, а это приводит к снижению электрической прочности изоляции.

Измерения степени полимеризации для получения объективной оценки износа изоляции необходимо проводить посредством определения вязкостных характеристик растворов целлюлозной изоляции в кадмийэтилендиаминовом комплексе. Это позволяет обеспечить отсутствие значимых деструктивных изменений в испытуемых образцах целлюлозы, в том числе и окисленных. Применение других растворителей, как правило, вызывает химическую деструкцию целлюлозы. Проведение анализа степени полимеризации изоляции путем перевода ее в эфиры может привести к завышенным значениям показателя вследствие растворения низкомолекулярной фракции и, как следствие, к ошибочным выводам.

Источник: © Львов М.Ю., Кутлер П.П. Физико-химические методы в практике оценки состояния силовых трансформаторов в условиях эксплуатации: Учебно-методическое пособие. — М.: ИУЭ ГУУ, ВИПК-энерго, ИПК госслужбы, 2003. — 20 с

Испытание и контроль состояния изоляции обмоток силового трансформатора

Диагностика изоляции обмоток силового трансформатора

Проверка состояния изоляции трансформатора – одна из главных причин проведения испытаний в профилактических целях.

Эксплуатационные негативные воздействия на изоляцию

В процессе работы трансформатора изоляция подвергается различным типам эксплуатационных воздействий:

• тепловое;
• механическое;
• электрическое.

В результате можно наблюдать ускорение старения изоляции, связанное с изменениями в химических процессах, так как в изоляции возникают определенные дефекты, которые ослабляют изоляцию. К ним относятся:

• воздушные включения в жидком и твердом диэлектрике
• расслоения и разрывы структуры изоляции
• газовыделения
• нарушения вакуумировки
• возникновения частичных разрядов и пробоев.

Все эти факторы влияют на качество изоляции и требуют контроля, выявления в результате испытаний и последующего устранения. (подробно об услуге испытания силового трансформатора в разделе услуг).

Испытания изоляции обмоток трансформатора – обязательная эксплуатационная необходимость

Задача испытаний – убедиться в качестве изоляции и проверить изменения переходных сопротивлений.

Выполнение испытаний зависит от предположений в ухудшении качества изоляции.

Оценка состояния выполняется методом сравнения новых сведений, полученных в результате испытаний изоляции с предыдущими результатами и нормативными данными. Благодаря оценке делаются предположения и прогнозы по дальнейшей эксплуатации трансформатора и выбор типа ремонта: капитального или профилактического.

Что входит в перечень испытательных мероприятий

Испытания обмоток включают следующий перечень мероприятий, которые предназначенны для определения различных дефектов в транасформаторе.

Измерение тока и потерь холостого при малом напряжении определение в обмотках межвитковое короткое замыкание, КЗ на землю, обрывы в цепи, проблемы в контактах.

Размагничивание – убирает остаточную намагниченность

Анализ диэлектрического частотного отклика обмоток – увлажнение твердой изояции обмоток, старение, повышенная влажность, загрязнение изоляционного масла

Анализ трансформатора тока – погрешность коэффициента трансформации или угловая погрешность с учетом нагрузки, чрезмерная остаточная намагниченность, несоответствие требуемым стандартам IEEE или IEC. Влияние нагрузки на Ктт и угловой сдвиг , витковое КЗ

Анализ частичных разрядов – частичные разряды в изоляции, частичные пробои между уравнительными обмотками, трещины и повреждения и бумажной изоляции.

Измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь производится при частоте 50 – 60Гц, при изменении напряжения и переменной частоте.

Рассмотрим подробнее. При частоте 50 – 60 Гц:

• В высоковольтным вводах — ч астичный пробой между уравнительными обкладками высовольтного ввода, трещины в бумажной изоляции, склеенной смолой, износ и влагу.
• В изоляции обомток — попадание влаги в твердую изоляцию, старение изоляции, загрязнение изоляционного масла,
• В обмотках : замыкание на землю, механическую деформацию в обмотках.
• В сердечнике — короткое зимыкание и механические деформации.

Тангенс угла при изменеии напряжения определяет частичные разряды в изоляции обмоток трансформатора в высоковольтных вводах также – ЧР и открытое и неисправное измерительное ответсвление.

Тангенс угла при переменной частоте

• в высоковольтных вводах: определение пробоя между обкладкми, износ изоляции, увлажненность, неисправные ответления.
• в изоляции — повышенную влажность, загрязненное масло.
• в обмотках и сердечнгике — механические повреждения короткое замыкание и плавающее заземление сердечника.

Измерение омического сопротивления обмоток постоянному току и проверка состояния РПН выявляет:

• В обмотках — междувитковое КЗ и короткое замыкание между самими обмотками, обрывы цепи в паралельных проводниках, проблемы в контактной системе и обрыв в электрической цепи.
• В переключателе ответветвлений — омическое оспротивление выявлет п роблемы с контактами в переключателе ответвлений и в переключателе
• В РПН — обрыв цепи, короткозамкнутые витки, увеличенное контактное сопротивление
• В ПБВ — Проблемы с контактами
• Выводы — проблемы в контактной системе

Измерение коэффициента трансформации позволяет выявить КЗ между витками обмоток и самими обмотками. (более подробно о коэффициенте трансформации в статье на нашем сайте)

Измерение тока намагничивания:

• В РПН — п роблемы с контактами в переключателе ответвлений и в переключателе, обрыв в электрической цепи, корткозамкнутые витки, увеличенное контактное сопротивление.
• В ПБВ — проблемы с контактами

Измерение импендакса КЗ и определение реактивного сопротивления утечки выявляет механические деформации внутри трансформатора, возможно, полученные при транспортировке.

Измерение чакстотной характеристики потерь рассеяния определяет в обмотке короткое обрыв цепи в параллельных проводниках и замыкание между ними.

Контроль состояния изоляции обмоток

До проведения испытаний трансформатор подвергается визуальному осмотру, затем производят действия по измерению сопротивления. Если трансформатор новый, долгое время стоял на сохранении или только после ремонта, в работе еще не участвовал, вычисляют коэффициент абсорбции, в соотвествии с ГОСТ 3484.3-88, делают измерения соппротивления изоляции и замер тангенса угла диэлектрических потерь. Только после этого выполняют высоковольтные испытания.

Измерение сопротивления изоляции выполняется с помощью мегомметра на напряжение 2500В с верхним пределом измерения не ниже 10000 МОм

Способы профилактического испытания и контроля изоляции

Существует два типа проведения испытаний:

1. разрушительный;
2. неразрушительный (профилактический).

Разрушительный метод проведения испытаний изоляции

Действенным, но редким средством выявить состояние изоляции является приложение испытательного напряжения, характер которого схож с эксплуатационными воздействиями, но большими по величине. Подобные испытания являются разрушительным. Их применение допустимо лишь для трансформаторов, рассчитанных на величину напряжения до 35кВ.

Причина кроется в дорогостоящем оборудовании и возможности возникновения дополнительных разрушений.

Благодаря проведению таких мероприятий определяется пригодность оборудования к дальнейшему использованию в работе. Они выполняются для определения

• параметров, характеризующих состояние изоляции (они способны измерить и спрогнозировать появление возможного отказа);
• оценка состояния эксплуатационной надежности изоляции.

Большое значение при проведении профилактических испытаний имеет опыт и квалификация сотрудников электролаборатории. Их умение точно и правильно определить, а впоследствии и сравнить полученные результаты с предыдущими является гарантом длительного рабочего периода трансформатора. Паспортные сведения и нормы стандартов лишь в косвенной мере несут информацию о возможности работы оборудования. Они являются лишь границами разброса величин контролируемого элемента.

Оценка степени ухудшения состояния изоляции производится по отклонению контролируемых характеристик от величин, полученных после проведения заводских испытаний. К ним относятся:

• методы контроля без отключения трансформатора, они способствуют накоплению сведений об испытании, важных для оценки надежности оборудования;
• использование устройств, позволяющих вести контроль над изменениями состояния изоляции в автоматическом режиме, путем установки соответствующих приборов и подключения к системе телемеханики;
• комплексная система включает контроль состояния изоляции и проверку результатов по итогам испытаний.

Используя различные методы испытаний постоянным и переменным напряжением определяется отклонение значения отдельных элементов схемы от нормальных. Иными словами, они позволяют судить о состоянии и наличии дефектов в изоляции.

Проведение испытаний на выявление тангенса угла диалектических потерь в изоляции выявляет:

• потери, обусловленные током проводимости во время подачи постоянного и переменного напряжения;
• потери, вызванные абсорбционными токами и дипольные потери;
• потери на ионизацию в газовых включениях в конструкциях с использованием электротехнической бумаги и картона, аналогичных с изоляцией кабельного типа.

Измерение сопротивления диэлектрической прочности изоляции обмоток производится между двумя электродами и определяется как частное от деления постоянной разности потенциалов между этими электродами на результирующий ток через изоляцию. Качество измерения зависит от внешних факторов, таких как температура, увлажнение и загрязнение.

Схема соединений обмоток трансформатора нормирована.

По окончании испытаний электролаборатория обязуется сформировать оформленные стандартным образом протоколы с заключением и рекомендациями по эксплуатации электрооборудования.

Протокол испытания силовых трансформаторов

После получения результатов специалисты электролаборатории обрабатывают их и производят вычисления.

В процессе обработки результатов вычисляют:

• ток холостого хода, полученную величину сравнивают с заводскими сведениями;
• сопротивление изоляции обмоток холостому ходу – значение, полученное после использования измерительного моста Р333;
• вычисляют соотношение сопротивления изоляции к температуре воздуха;
• вычисляют Ктр — не должен отличаться от установочных характеристик более чем на 2%;
• сопротивление короткого замыкания.

Результаты испытаний, полученные в итоге вычислений, включают в рабочий журнал и заполняют протокол испытаний.

Итог оформления протокола – заключение по итогам испытаний и рекомендации по дальнейшей эксплуатации трансформаторов.

ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗНОСА ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

Похожие темы научных работ по технике и технологии , автор научной работы — Бобомурод Курбонович Авазов, Сардор Бобоярович Нуриддинов, Фозил Фарход Ўғли Хасанов, Каримберди Тавбаевич Қаршиев

Особенности моделирования износа изоляции тягового трансформатора
Контроль остаточного ресурса тяговых трансформаторов

Исследование влияния размаха внутрисуточной температуры окружающей среды на скорость старения витковой изоляции

Совершенствование технического содержания изоляционной системы трансформаторов тяговых подстанций с учетом особенностей климата на основе непрерывного контроля

Обнаружение деформаций обмоток силовых трансформаторов средствами технической диагностики после коротких замыканий

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗНОСА ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ»

ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗНОСА ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ

Бобомурод Курбонович Авазов

Ташкентский государственный транспортный университет, ассистент

Сардор Бобоярович Нуриддинов

Ташкентский государственный транспортный университет, ассистент

Фозил Фарход ^ли Хасанов

Ташкентский государственный транспортный университет, ст. пред.

Каримберди Тавбаевич Каршиев

Ташкентский государственный транспортный университет, ассистент

Содержание технических средств железнодорожного транспорта на высоком эксплуатационном уровне, обеспечивающем безопасность движения поездов и высокую эффективность процесса перевозок, невозможно без объективной информации об их фактическом состоянии. Объекты железнодорожного транспорта содержат большое количество устройств, длительная эксплуатация которых без надлежащего диагностирования технического состояния может привести к выходу их из строя и значительному материальному ущербу. Для реализации эффективного диагностирования этих устройств необходимы современные методики и технические средства контроля.

ЛИТЕРАТУРА И МЕТОДОЛОГИЯ

Одним из наиболее дорогостоящих и ответственных элементов системы тягового электроснабжения являются силовые трансформаторы: тяговые (СТ) и районные понизительные (РПТ). Многие из этих трансформаторов отработали нормативный ресурс. Процедуры оценки состояния изношенных трансформаторов находятся на стадии становления. В дистанциях электроснабжения филиалов ОАО «УзЖД» имеется современная вычислительная техника, которая обеспечивает информационную поддержку функционирования железной дороги. В частности, внедрение автоматизированных систем

учета электроэнергии позволяет в режиме реального времени получать информацию о получасовых расходах активной и реактивной электроэнергии на тягу поездов и по вводам распредустройств районных потребителей 6 — 10 кВ. Эта информация может быть использована для мониторинга состояния силовых трансформаторов.

При мониторинге целесообразно контролировать следующие параметры:

> кратность и длительность перегрузки;

> степень несимметрии токов;

> температуры наиболее нагретой точки масла и обмоток;

> степень старения витковой изоляции;

> состав газов, выделяющихся при неисправностях с помощью хромотографического анализа;

> потери электрической энергии.

Структура системы мониторинга СТ и РПТ представлена на рис. 1. В качестве исходной информации для определения степени старения витковой изоляции используются данные о полу часовых расходах электроэнергии и показания датчиков температуры. Определение остаточного ресурса изоляции осуществляется по методике, изложенной в работе [1].

Общий износ изоляции обмоток состоит из динамического и теплового износов, взятых со своими весовыми коэффициентами. Определение этих коэффициентов представляет собой трудоемкую задачу, требующую большого статистического материала за продолжительное время. Такой материал может быть получен на основе систем мониторинга. По мере накопления статических массивов будет совершенствоваться и сама модель оценки состояния витковой изоляции.

В задаче контроля износа витковой изоляции трансформатора есть два существенных аспекта: исходные данные представлены в виде получасовых значений расхода активной и реактивной электроэнергии по трехфазным вводам; тяговая нагрузка характеризуется существенной несимметрией.

Первый аспект ввиду малой постоянной времени нагрева обмотки (порядка 6 мин) обусловливает необходимость перехода к эффективным получасовым значениям тока, а второй аспект требует пофазного учета нагрузок. Одному из возможных путей преодоления этих трудностей и посвящена настоящая статья.

Ограничивая рассмотрение наиболее

распространенными трехфазными трехобмоточными трансформаторами, можно определить связь эффективной

(нагревающей) мощности сетевой обмотки со средними значениями мощностей тяговой и районной обмоток по формулам работы [2]:

Рэв = + Р’срГ J( РсрТ + РсрР ) +[Р?рТ(^|АТ -1) + РфР^фАР «I)]

Озв = + О’срГ ^срТ + QcpP ) + [^рТ^фАТ » 1) +

где, Р3в, О3в — эффективные активные и реактивные мощности сетевой обмотки, РсрТ, РсрР, ОсрТ, ОсрР — средние активные и реактивные мощности соответственно тяговой и районной обмоток; кфАТ, кфРТ, кфдр, кфРР -получасовые коэффициенты формы графиков активных и реактивных нагрузок соответственно тяговой и районной обмоток. Значения коэффициентов формы тяговой нагрузки определяются графиками движения поездов и в рамках задачи моделирования износа изоляции считаются внешними данными. Получасовые коэффициенты формы районной нагрузки ввиду сравнительной ее стабильности целесообразно принять равными единице. Формулы (1) и (2) необходимо применять для каждой фазы отдельно; значения на пряжений разных фаз можно считать одинаковыми, а токи фаз тяговой обмотки можно получить по формулам, аналогичным приведенным в работе [1].

Рис. 1. Структура системы мониторинга тяговых трансформаторов.

На рис. 2 показана схема трехфазного трансформатора без отображения районной обмотки, нагрузка которой предполагается симметричной. При отсчетах фаз относительно фазы АХ сетевой обмотки формулы для напряжений и токов фаз записываются следующим образом:

0 = 0 е1 0 ; 011 = 0Г е» 16 0 = Их (0.5-] 0.866);

Оса = 0Г е;180 = — 0Г ;

0аЬ = 0ге» 6 0 = 0Г ( 0 . 5 + у 0 .866) ;

0Ьс = 0Г е» 1 6 0 = 0Г (0 . 5 -у 0 .866) ;

Рис. 2. Схема трехфазного трансформатора

ía — з i/ + з i / / i i Ь — 3 i / + 3 i / /> i с — — gi/ — 3 i

0.5PT — 0.866QT -y(0.866PT + 0.5QT)

где SТ, PТ, QТ — полная, активная и реактивная мощности по вводу 27.5 кВ, ^ — коэффициенты распределения мощности ввода 27.5 кВ по плечам питания; остальные величины обозначены на рис. 2. Получить эти коэффициенты можно посредством использования программного комплекса имитационного моделирования систем тягового электроснабжения FAZONORD, разработанного в Иркутском государственном университете путей сообщения [3]. С помощью комплекса FAZONORD на основе данных о поездной работе следует выполнить

имитацию работы рассматриваемого участка, что позволит определить искомые коэффициенты.

Токи фаз тяговой обмотки можно найти следующим образом:

; _ 2+ кп(0.5Рт — 0.866QT)

—2kjQT — kn(q.Q66QT + 0.5PT) a~ 3 UT

, ~kIPT + ku0.SPT — ku0.866QT

n kßj — ки0.866Рт — 0.5кпРт

—kjPT — kn0.SPT + 1.732knQT

_ кДт + 1.732кпРт + к/

а мощности фаз определятся равенствами следующего вида:

$Та — $Тас — Рта + jQт а = ~ ]1’а)’>

$ть = $таь = ит(0.3Гъ + 0.8667/й +У1/Г(0.54 — 0.866//;); ¿тс = ¿ТЬс = ит(0.5/£ — 0.866Д0 +№(-0.5/£ — 0.866//с»);

С учетом смены знаков при приведении генерации тяговой обмотки к нагрузке сетевой обмотки можно записать.

Рта = ± [2 /Рт + кп( 0 . 5 Рт — 0.866 (■)];

(та = ± [ 2 к + кц ( о . 5 рт + о . 5 ад ]; Рть = ^ [/( о . 5 Рт — 0.8 66 ( г) — к„Рг] ( ть = ; [к ( о .8 66 ( т + 0 . 5 ( т) + кя(т] Ртс = \ [к( 0 . 5 Рт + 0.8 66 ( т) + 2 к„Рт]

( тс = \ [к ( — 0.8 66 ( т + 0 . 5 Рт) + 2 к;( т]

При одинаковых номинальных мощностях обмоток активные сопротив-ления фаз обмоток, приведенные к стороне высокого напряжения, равны.

где Ub — номинальное напряжение фазы ВН, Sh — номинальная мощность, ДРк — потери короткого замыкания трансформатора. Потери мощности в фазе тяговой обмотки можно вычислить так: n

А РТа = Ril?а = Щг1 = 1 А^к (10)-

где кэТа = — коэффициент загрузки фазы тяговой обмотки.

Аналогично определяются потери для фаз районной и сетевой обмоток трансформатора.

АРРа = i АРкк2эР;

где кэР = —f- — коэффициент загрузки всей районной обмотки (в предполо-жении симметрии районной нагрузки), кэва = 3 Бва / Sn — коэффициент

загрузки фазы сетевой обмотки, SM = Vfsa + Qва •

Выражения для потерь реактивной мощности из-за различия напряжений короткого замыкания выглядят несколько иначе. Реактивные сопротивления катушек, приведенные к напряжению сетевой обмотки, определяются напряжениями короткого замыкания [3]:

= 2005н + UnP _ U(11);

= (UnT — UnP + UTp) (12);

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где и ¿у = /и ¿у — (—-—) ^ — напряжение короткого замыкания,

скорректированное на падение напряжения на активном сопротивлении, и -напряжение короткого замыкания трансформатора в процентах. Реактивные потери в фазах обмоток находятся так:

Щта = ХтЦа = ~200£~ (и’пт — и’пР + иТР) = «боо» (и’пТ ~ и’пР + и’тр^’

&Qpa — Xpba — 2005 (~unT + unP + UTP) ~ ^~UnT UnP UTp)0-$)>

2 ^ ^’7XCL ill ^ЭНЙ^Н f f f

&Qna — Хт^па — 2005 (UnT UnP ~ U’TP) = ^QO ^U’nT U’nP ~ U’TP^

Реактивная мощность холостого хода определяется током холостого хода ix, A Qx = V (ix SJ/ 1 0 0) 2- VPX2 .

Алгоритм расчета эффективных токов фаз сетевой обмотки по получасовым значениям расхода активной и реактивной электроэнергии тяговой и районной обмоток выглядит следующим образом.

1. Получасовые значения расходов электроэнергии по вводам 27.5 кВ и по вводам районной обмотки хранятся в локальной базе данных по электропотреблению (ЛБДЭ), и по команде пользователя производится ее пополнение по всем трансформаторам дороги из базы данных АСКУЭ.

2. Расчеты износа и оставшегося срока службы производятся с использованием информации ЛБДЭ и далее хранятся в локальной базе данных программного комплекса. При запуске программы производится отображение рассчитанного износа в текстовой и графической формах.

3. По получасовым расходам определяются средние получасовые мощности ввода 27.5 кВ и по формулам (3) . (8) вычисляются мощности фаз тяговой обмотки.

4. По формулам (11), (12), (14), (15) рассчитываются составляющие потерь мощностей фаз тяговой и районной обмоток.

5. Формулы (1) и (2) ввиду добавок потерь в обмотках, потерь в стали и меди используются в следующей форме:

(Рфп + (рр + Арра)) 2 [PfaiksubфЛ Г2 — 1 )]+1 АРХ( 1 7) ;

Qsvi = J (+ A QTi+-3 (Qp + A QPа)) 2 [QIt^Iat — 1)] + \ A Qx

где, индекс 1 обозначает фазу обмотки.

6. По полученным значениям мощностей фаз сетевой обмотки с помощью формул (13) и (16) определяются потери в меди в фазах сетевой обмотки и добавляются к мощностям фаз сетевой обмотки.

7. Из полученных значений мощностей фаз сетевой обмотки по среднему значению фазного напряжения определяются эффективные токи фаз сетевой обмотки:

8. По эффективным значениям токов производится расчет относительного износа изоляции за получасовой период работы трансформатора в соответствии со стандартной методикой [4].

Расчеты износа предполагается производить в двух вариантах:

— расчеты износа без учета ретроспективы по имеющимся данным получасовых расходов электроэнергии, без отображения оставшегося срока службы;

— расчеты с учетом предыдущей (до запуска АСКУЭ) работы трансформатора по информации о грузообороте и продолжительности окон; предполагается использование регрессионных зависимостей, обновляемых

по мере накопления информации АСКУЭ.

1. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. -М.: Транспорт, 1982. — 528 с.

2. Шидловский, А.К. Расчеты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий [Текст] / А.К. Шидловский, Г.Я. Вагин, Э.Г. Куренный. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 224 с.

3. Kurbonovich, Avazov Bobomurod, Nuriddinov Sardor Babayarovich, and Qarshiyev Karimberdi Tavbayevich. «TRANSFORMATOR MOYINI GAZDAN TOZALASHDA KO’CHMA LABARATORIYA MASHINASIDAN FOYDALANISH.» (2022): 73-77.

4. Нуриддинов, С. Б. (2020). Анализ отказов тяговых электрических машин НБ-514 локомотивный ремонт завод УП «Узтемирйулмаштаьмир». In Актуальные вопросы экономики транспорта высоких скоростей (pp. 139-142).

5. Nuriddinov, S., Avazov, B., Hasanov, F., & Rakhmonova, Y. (2021). Analysis of the causes of traction electric failures of electric cargo cars operated on railways of the Republic of Uzbekistan. In E3S Web of Conferences (Vol. 264, p. 05041). EDP Sciences.6. Богачков

И.М., Савиных Ю.А. Способ очистки трансформаторного масла. Журнал «Нефть и газ», 2011 г., №1, — С.87-91.

6. Салихов Т.П., Кан В.В., Юсупов Д.Т. Метод циркуляционной промывки трансформаторов с использованием адсорбентов и керамических мембран. Научно-технический журнал ФерПИ. 2014. №4. -С.62-66.

7. Avazov B.K., Yusupov D.T. Cleaning of used transformer oil. Journal NX — A Multidisciplinary Peer Reviewed Journal, 2021, p. 719-724.

8. Ковальский Б.И., Безбородов Ю.Н., Фельдман Л.А., Юдин А.В., Петров О.Н. Современные методы очистки и регенерации отработанных смазочных масел. Препринт. — Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2011. — 104 с.

9. Валиуллина Д.М., Загустина И.Д., Козлов В.К., Определение качественного состава примесей в отработанном трансформаторном масле. Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия. 18 июня 2018

10. Avazov, Bobomurod Kurbonovich, and Karimberdi Tavbayevich Qarshiyev. «TRANSFORMER OIL CLEANING TECHNOLOGY.» Academic research in educational sciences 3.TSTU Conference 1 (2022): 199-202.