Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

Диагностика и анализ повреждений трансформаторов
 

Диагностика и анализ повреждений трансформаторов

М. Алпатов, ОАО «ПК ХК Электрозавод» г. Москва

 

 

За последнее время произошло несколько отказов трансформаторов разных мощностей, классов напряжения, а также разных производителей, расследование которых (отказов) выявило признаки повреждений, встречавшихся раньше довольно редко. Рассмотрим несколько случаев.

1. Трехфазный трансформатор 220 кВ — пробой масляного промежутка 20 мм, пробой масляного промежутка 60 мм, деформация обмоток («динамика») отсутствует, повреждения твердой изоляции отсутствуют.

2. Трехфазный трансформатор 500 кВ — межкатушечное замыкание, «динамика» отсутствует.

3. Однофазный автотрансформатор 500 кВ — повредился при включении, многочисленные межкатушечные дуговые перекрытия в обширной зоне внутренней холостой обмотки, динамики нет.

4. Три однофазных трансформатора 500 кВ, входящих в трехфазные группы, один за другим вышли из строя в течение полугода. Повреждения однотипные — выгорания проводников в катушках обмотки ВН (зона повреждения - от 1/3 до 2/3 высоты полуобмотки).

5. Несколько трансформаторов класса 35 кВ отключились газовой защитой. Повреждений в трансформаторах не выявлено. Газосодержание в масле составляет практически один водород.

Помимо перечисленных отказов ряд трансформаторов не выводился из работы аварийно, однако контроль их газосодержания показывал быстрое нарастание концентрации водорода, а также, в значительно меньшей степени, метана. Остальные газы (в том числе этан) практически не росли, их концентрации были мизерными и устойчивыми. Выполняемая периодически дегазация масла, производившаяся на некоторых трансформаторах, процесс газообразования не замедляла. Характерных признаков так называемого «технологического» водорода, в виде снижения с течением времени естественной скорости газовыделения, так же не наблюдалось.

Выделим некоторые общие моменты в перечисленных случаях. Все они могут трактоваться как следствие воздействия высокочастотных напряжений (перенапряжений). Главным подтверждающим обстоятельством этому является отсутствие механических деформаций или незначительные деформации элементов конструкции трансформатора, поскольку воздействие перенапряжений более низких частот, как правило, приводит к замыканию проводников и последующей сильной деформации и разрушению обмоток. Для выяснения вероятных причин появления перенапряжений высокой частоты рассмотрим некоторые случаи подробнее.

Случай 1.

Импульсный пробой достаточно большого масляного промежутка возник, предположительно, как реакция на срабатывание элегазового выключателя, разорвавшего дугу при значении тока около 2 кА (так называемый «срез» тока). Известно, что описанный процесс обязательно сопровождается возникновением крутых импульсов перенапряжений, амплитуда которых в описываемом случае могла значительно превышать электрическую прочность масляного промежутка. Процесс завершился пробоем, сопровождавшимся емкостным током, в результате чего трансформатор фактически не повредился. При этом очевидно, что главным «виновником» послужила «не согласованность» характеристик таких элементов системы, как трансформа тор и высоковольтный выключатель. Дополнительно необходимо отметить, что защитный аппарат - ОПН не сумел защитить трансформатор от воздействия перенапряжений.

Случай 2.

Объектом отказа является блочный трансформатор, особенность эксплуатации которого состоит в частых коммутациях генераторным выключателя. Соединение трансформатора с ЛЭП осуществляется через КРУЭ и кабельную вставку длиной около 1 км. По информации специалистов при коммутациях в КРУЭ возникают так называемые «незавершенные» разряды в элегазе, которые могут приводить к перенапряжениям на стороне ВН трансформатора. Упомянутые разряды имеют крутой фронт и не шунтируются ограничителями перенапряжений, установлен в цепи. Можно утверждать, что именно такие воздействия и вызвали межкатушечное перекрытие во входной зоне обмотки ВН трансформатора, не приведя при этом, к механическим деформациям обмоток. Необходимо отметить, что наличие длинной кабельной вставки усугубило ситуацию. Подобная картина, вероятно, имела место и в случае 4.

Случай 3.

В трансформаторе поврежденной оказалась обмотка НН — ближайшая к стержню, холостая в момент включения. Остальные обмотки не повреждены. Зона, затронутая повреждением, составила около четверти всей обмотки. Произошли многочисленные катушечные дуговые перекрытия через масляные каналы шириной несколько миллиметров. Важным является то, что в момент, предшествовавший включению, магнитопровод трансформатора был насыщен. Поэтому в начале процесса магнитный поток в стержне оказался заперт, и очевидно, что значительная часть основного магнитного поля была вынужденно сосредоточена в прилегающей к стержню области пространстве именно в зоне обмотки НН. Энергия магнитного поля перешла в энергию электрического поля путем быстрой зарядки емкостей, образованных катушками обмотки. После достижения критического уровня значения заряда, когда напряжение между катушками превысило значение пробивного напряжения масляного промежутка, начался лавинообразный процесс импульсного перекрытия. На опасность режима включения трансформатора с высоким уровнем остаточной намагниченности магнитопровода обращено внимание в [1].

Случай 5.

Воздействием перенапряжений высокой частоты можно также объяснить отказы распределительных трансформаторов. Отключения происходили, в основном, действием газовой защиты. При этом фиксировалось очень большое содержание водорода. Поскольку значительное количество водорода в масле чаще всего свидетельствует о наличии разрядов, то направленный поиск других следов разрядной деятельности, иногда, приводил к успеху, однако чаще всего никаких признаков наличия указанных источников не обнаруживалось. Что касается общей причины возникновения разрядов, то основное предположение при этом состояло в недостаточной эффективности системы заземления. Это могло приводить к постоянно действующему процессу зарядки-разряда емкостей, в результате чего генерировался водород. Но модернизация заземления далеко не всегда приводила к успеху, хотя в ряде случаев проблема разрешалась. Гипотеза о наличии высокочастотной составляющей в спектре воздействующего напряжения позволяет объяснить «выборочную» эффективность модернизации узла заземления — емкостное сопротивление оказывалось соизмеримым (или меньшим) сопротивления цепи заземления.

Есть основания предполагать, что сильное выделение водорода в масле более мощных трансформаторов так же объясняется высокочастотным «эффектом». Большинство мощных трансформаторов имеет электромагнитные экраны на баке («магнитные шунты»), представляющие собой пакеты из листов электротехнической стали. Для снятия электрического заряда, образующегося на указанных экранах в электрическом поле, выполняется заземление экранов с помощью медных полос, одним концом закрепляемых на баке с помощью болтового соединения. По разным причинам возможно ослабление данного крепления и ухудшение условий стекания электрического заряда. В результате этого и возникают источники разряда и выделения водорода. В некоторых случаях принимаются специальные меры для того, чтобы качество заземления не ухудшалось, однако зачастую это не дает положительного результата. Объяснение последнему обстоятельству может быть таким же, как и в предыдущем случае - импульсные разряды на бак. Заземление при этом перестает быть эффективным, а видимые следы проявления разрядной деятельности (в отличие от разрядов низкой частоты) практически отсутствуют. Аналогичная модель может быть построена и для собственно магнитопровода.

Проблема возникновения в электроэнергетических системах перенапряжений высокой частоты становится общей проблемой мировой электроэнергетики. Этот факт отмечался, например, в докладе руководителя комитета А2 «Трансформаторы» СИГРЭ П. Босса на коллоквиуме в Москве в 2005 г. При этом причины этой ситуации названы не были, было лишь обозначено, что их определение является перспективной задачей.«Электрозавод» сталкивался со сходными проблемами при эксплуатации печных и так называемых сетевых трансформаторов, используемых в металлургии режимы работы которых являются весьма сложными. Проблемы заключались в частом выходе из строя трансформаторов после внедрения в практику вакуумных выключателей, переключающих устройств с вакуумными камерами и других аппаратов. В процессе коммутаций при этом возникали высокочастотные перенапряжения. Решения указанных проблем были найдены посредством использования фильтров высоких гармоник в цепях питающего напряжения, нелинейных сопротивлений и др. Очевидно, что данный опыт необходимо использовать в возникающей ситуации.

Появление новой проблемы порождает необходимость совершенствования методов диагностики трансформаторного оборудования для идентификации высокочастотных воздействий и предупреждения выхода из строя оборудования. Необходимо отметить, что эффективным инструментом при этом быть только так называемая рабочая «диагностика» [2], то есть диагностика в рабочем режиме. Возможности тестовой диагностики при этом ограничиваются способами выявления последствий внешних воздействий. Задачи рабочей диагностики можно разделить на две части:

1) обеспечение регистрации перенапряжений высокой частоты ( аппаратная часть);

2) разработка диагностической модели и на ее основе разработка способа оценки состояния трансформатора по данным измерений перенапряжений (теоретическая и вычислительная части).

В отношении п.1 можно сказать, что используемая в настоящий момент на практике аппаратура не регистрирует указанных перенапряжений, а, следовательно, отсутствует база для осуществления превентивной диагностики. Однако возможности современной измерительной техники позволяют такую аппаратуру создать. Что касса п.2, то эта задача потребует достаточно много времени и усилий ученых специалистов.

1. Система мониторинга трансформаторов МЭИ (находится на этапе разработки). Здесь предлагается в качестве датчика напряжения (делителя напряжения) использовать ПИН высоковольтного ввода. Контроллеры и программные продукты первичной обработки данных призваны обеспечить контроль напряжений (с гармониками до 40-ой), перенапряжения (по ГОСТ 1516.3-96), провалы напряжения. Система должна постоянно отслеживать отклонения контролируемых параметров от нормы, регистрировать их и обеспечивать хранение данных для последующего анализа и диагностики.

2. Регистрация электромагнитных излучений. Специалистами лаборатории электрофизики и электроэнергетики ИАПУ ДВО РАН разработан метод и проведены экспериментальные исследования по регистрации электромагнитных излучений подстанционного электрооборудования, в том числе работающих трансформаторов [3]. Регистрация осуществляется в широком частотном диапазоне бесконтактным (дистанционным способом). Данная методология также может быть рассмотрена в качестве инструмента регистрации аномальных воздействий (в том числе перенапряжений) на трансформатор.

3. Методы измерений частичных раз рядов под рабочим напряжением. Воздействие перенапряжений на трансформатор обязательно сопровождается возрастанием уровня частичных разрядов, поэтому способы измерений ЧР в рабочем режиме могут рассматриваться как методы косвенной регистрации перенапряжений. При этом для диагностики потребуется построение корреляционных моделей, что само по себе является достаточно сложной задачей. В качестве потенциально перспективных методов такой оценки можно назвать: зонд Лемке, систему UPDA фирмы Cutler - Hammer [4], датчики ТМР с анализатором РDРА [5] и др.

Выводы

1. Значительное число отказов трансформаторов разных производителей, разных мощностей и классов напряжения может быть объяснено воздействием высокочастотных перенапряжений.

  • несогласованность характеристик оборудования;
  • недостаточная изученность особенностей эксплуатации некоторых современных элементов электроэнергетических систем (КРУЭ, высоковольтные кабели и др.);
  • включение трансформаторов с насыщением магнитопровода.
  • 3. Возрастание количества импульсных воздействий требует разработки новых и совершенствование существующих методов диагностики, включая ее аппаратную и теоретико-вычислительную части.

    Литература

    1. Евдокунин Г.А., Коршунов., Сеппинг Э.А., Ярвик Я.Я. Метод расчета на ЭВМ переходных процессов в ферромагнитных устройствах с произвольной структурой магнитных и электрических цепей./Электротехника. 1991.

    2. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. М. 1990.

    3. Киншт Н.В., Преображенская О.В., Петрунько Н.Н. Логический анализ электрической подстанции как объекта диагностирования//Изв. РАН. Энергетика. 2001.№2.

    4. Макаревич Л.В., Шифрин Л.Н., Алпатов М.Е. Современные тенденции в создании и диагностике силовых трансформаторов больших мощностей//Изв. РАН Энергетика. №1. 2008.

    5. Аксенов Ю.П., Ярошенко И.В. Комплексная диагностика турбогенераторов.//Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. №2. 2006.

     
     
    Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
    Источник:  ©  М. Алпатов, ОАО «ПК ХК Электрозавод» г. Москва. Диагностика и анализ повреждений трансформаторов. Энерго Info, №  5,  2009.– С.64-67.
    Материал размещен на www.transform.ru: 22.09.2009 г.
     

     

    Перейти в форум для обсуждения

      ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


    Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????