Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

О развитии витковых замыканий при загрязнении обмоток трансформаторов металлосодержащими коллоидными частицами
 

О развитии витковых замыканий при загрязнении обмоток трансформаторов металлосодержащими коллоидными частицами

Львов С. Ю., ООО "Прессэлектро",Лютько Е.О., ОАО "НТЦ электроэнергетики" и др.

 

 

Рассмотрено радиационно-термическое развитие витковых замыканий под воздействием частичных разрядов первого рода при загрязнении обмоток трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов металлосодержащими коллоидными частицами, образующимися в трансформаторном масле в результате взаимодействия масла с конструкционными материалами (медью обмоток, железом бака, сердечника и др.). Предложен критерий опасного загрязнения витковой изоляции обмоток металлосодержащими коллоидными частицами - 3%-ное массовое содержание в ней меди и железа, превышение которого может служить основанием для признания состояния трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов напряжением 110 кВ и выше предельным. Показана существенная роль в продлении срока службы трансформаторного оборудования фильтров непрерывной очистки масла.

Ключевые слова: витковое замыкание, загрязнение изоляции, трансформаторы, автотрансформаторы, шунтирующие реакторы, металлосодержащие коллоидные частицы.

Одним из наиболее тяжёлых повреждений трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов являются внутренние короткие замыкания (КЗ), сопровождающиеся, как правило, повреждением обмоток, взрывами и пожарами оборудования. Такие повреждения, в частности, могут происходить из-за снижения электрической прочности витковой изоляции в результате её загрязнения металлосодержащими коллоидными частицами. Эти частицы представляют собой соединения металлов, образующиеся в результате взаимодействия масла с конструкционными материалами (медью обмоток, железом бака, сердечника и др.). На сессии СИГРЭ-2008 приведены примеры повреждений 16 шунтирующих реакторов из-за развития витковых замыканий в результате загрязнения изоляции обмоток металлосодержащими коллоидными частицами сульфида меди CuS2 при использовании масел, содержащих серу (Nitro 10 GBA или Nitro 10 GBN) [1].

Настоящая статья посвящена исследованию радиационно-термического развития витковых замыканий при образовании в трансформаторном масле в процессе эксплуатации металлосодержащих коллоидных частиц и загрязнении ими обмоток силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов при действии частичных разрядов (ЧР) первого уровня - начальных ЧР. Кажущийся заряд этих ЧР имеет уровень до 1 ООО пКл и не вызывает при кратковременном (в течение нескольких минут) воздействии электрического поля видимых следов повреждения твёрдой изоляции (картона, бумаги) [2].

На основе проведённых ОАО "НТЦ электроэнергетики" и ИФХЭ РАН экспериментальных исследований загрязнения трансформаторного масла коллоидными частицами для оценки степени развития коллоидно-дисперсных процессов в [3] определены граничные значения следующих показателей:

  • оптической мутности - 200 м-1;
  • содержания меди - 0,26 мг/л;
  • содержания железа - 3,2 мг/л.
  • Полученные количественные критерии ограничивают область нормального качества масла: у 90% всех эксплуатируемых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов масла имеют меньшую оптическую мутность и содержание Fe и Си.

    Осаждение металлосодержащих коллоидных частиц на изоляцию обмоток ведёт к появлению токопроводящих мостиков и, как следствие, к уменьшению электроизоляционных участков. При неизменной разности потенциалов приложенного заряжения это в свою очередь вызывает рост напряженности электрического поля, частичный пробой масляных промежутков с загрязнённых ей, образование газовых микропузырьков и, наконец, разрушение диэлектрика, приводящее к витковому замыканию, взрывам и пожарам оборудования.

    Витковая изоляция обмоток (изоляция между соседними витками) выбирается с учётом допустимых напряжённостей при рабочем напряжении, воздействии коммутационных и грозовых импульсов. Расчётные коэффициенты запаса при этих действиях в различных конструкциях трансформаторов колеблются от 1,1 до 1,7. Наименьшие запасы электрической прочности витковой изоляции имеют переплетённые обмотки (трансформатора напряжением 220 кВ и выше). Повреждение изоляции на проводе (разрыв или трещина) значительно снижает электрическую прочность между витками (в 1,5-2 раза), что в свою очередь может привести к витковому замыканию и повреждению трансформатора под рабочим напряжением, при напряжениях или воздействии сквозных токов которые вызывают сильное сжатие витков катушки и смыкание проводников в оголённом месте [4].

    Проанализируем условия радиационно-термического развития витковых замыканий в трансформаторах, автотрансформаторах и шунтирующих реакторах. Как показано в [5], после облучения ускоренными электронами целлюлозы, модифицированной солями переходных металлов, при дном массовом содержании железа более 1% [сходит карбонизация (обуглероживание) композиций и образуется ультрадисперсная фаза (с размером частиц порядка нескольких нанометров) и его нестехиометрических оксидов (ярозит, вюстит, сидерит и др.), обладающих хорошей проводимостью. При появлении нестехиометрических соединений постоянство отношений масс составляющих элементов неприменимо [6]. При массовом содержании железа в целлюлозе более образуется ультрадисперсная фаза металла с пирофорными (самовоспламенение при контакте с водородом воздуха) свойствами [5]. Источником излучений, обеспечивающим реакцию радиационно-термического развития витковых замыканий в трансформаторах и шунтирующих реакторах, служат заряженные частицы, в основном электроны, возникающие при ЧР первого рода. Анализ общих условий существования начальных ЧР в витковой изоляции показал, что в силовых трансформаторах, автотрансформаторах и шунтирующих реакторах в реальных конструкциях неоднородной витковой изоляции применение дополнительной изоляции приводит к увеличению локальной напряжённости электрического поля в масляных прослойках витковой изоляции и повышению вероятности возникновения начальных ЧР [7].

    Повышенные температуры способствуют тем реакциям, которые нуждаются в тепловой активации. К ним, в частности, относится реакция отрыва водорода. В процессе радиационно-термических воздействий образуются атомы водорода, восстанавливающие металлосодержащие коллоидные частицы (соли металлов) до нестехиометрических хорошо проводящих оксидов.

    В силовых трансформаторах, автотрансформаторах и шунтирующих реакторах температуры масла и твёрдой изоляции обмоток достаточно высоки, как и напряжённость электрического поля. Предельно допустимая температура наиболее нагретой точки - 140°С, верхних слоёв масла - 90°С. Рабочая напряжённость в маслобарьерной изоляции ограничена примерно 5 кВ/мм [8-10].

    Следует также отметить, что в сравнении с трансформаторами шунтирующие реакторы имеют повышенные вибрации активной части и бака в силу конструкции их магнитных систем с немагнитными зазорами. Повышенные вибрации способствуют росту температуры масла, ускорению процессов коагуляции (укрупнения) коллоидных частиц, выделения их из масла и осаждения на обмотках.

    При указанных температурах и напряжённостях следует ожидать, что образующиеся при возникновении ЧР заряженные частицы могут приводить к ускорению большой части реакций в зоне возникновения ЧР.

    В витковой изоляции трансформаторов отмечается наличие меди и железа, причём содержание железа превосходит содержание меди. Так, в изоляции автотрансформатора АТДЦТН-250000/500/220 железа в 2 раза больше, чем меди, для остальных трансформаторов - примерно на порядок выше. В данных, представленных в табл. 1, массовое содержание металла (меди и железа в сумме) в витковой изоляции не превосходит 0,48%. Согласно [13], в осадках при работе ингибированных масел (ингибиторы - антиокислители) в трансформаторах массовое содержание меди колеблется от 0,2 до 0,5%, железа - от 0,2 до 1,4% (меди и железа в сумме до 2%) в зависимости от происхождения масла. По данным СИГРЭ-2008, содержание сульфида меди CuS2 в изоляции обмоток шунтирующих реакторов, повредившихся из-за витковых замыканий, составляет 5 - 7% при использовании масел, содержащих серу (Nitro 10 GBA или Nitro 10GBN) [14].

    Итак, согласно приведённым данным, массовое содержание меди и железа в витковой изоляции отечественных трансформаторов не превосходит 2%, тогда как в повредившихся шунтирующих реакторах зарубежного производства содержание соединений меди достигает 5 - 7%. Такая значительная разница в загрязнении обмоток связана с тем, что отечественные трансформаторы и шунтирующие реакторы оборудованы фильтрами непрерывной очистки масла (термосифонными, адсорбционными) в соответствии с требованиями ГОСТ Р52719-2007 [9]. При циркуляции масла металлосодержащие коллоидные и полимерные частицы адсорбируются на силикагеле в фильтрах непрерывной очистки, что предохраняет изоляцию обмоток от значительного загрязнения. (Следует подчеркнуть, что частицы, загрязняющие представленные образцы изоляции, не растворяются даже в щелочных водных растворах.)

    Существующие в настоящее время в эксплуатации методы измерения сопротивления и тангенса угла диэлектрических потерь изоляции обмоток позволяют оценить загрязнение между обмотками и заземлёнными частями. Однако для определения загрязнения изоляции между витками эти методы неприемлемы. Анализ путей протекания тока показывает, что витковая изоляция не связана с изоляцией, по которой проходит ток при измерениях её сопротивления и тангенса угла диэлектрических потерь. При таких измерениях витковая изоляция находится под одним потенциалом по длине обмотки и ток между витками не протекает.Переход трансформатора в предельное состояние, при котором его дальнейшая эксплуатации допустима (или нецелесообразна) либо восстановление его работоспособного состояния невозможно (или нецелесообразно), обусловлен двумя чинами [15]:

  • предельно допустимым износом витковой изоляции, характеризуемым в настоящий мо только степенью полимеризации 250 единиц;
  • наличием опасных деформаций обмоток характеризуемых сопротивлением КЗ, превышающим исходное значение более чем на 3%.
  • Из изложенного следует, что для оценки стояния изоляции обмоток трансформатора наряду с измерением степени полимеризации необходимо также определять её загрязнение метал, держащими коллоидными частицами. Для этого требуется проводить измерения содержания и железа в образце витковой изоляции, взятом зоны обмотки, имеющей наибольшую температуру при работе трансформатора. Такие образом верхних катушек обмоток используются для рения степени полимеризации витковой изоляции согласно [11].

    Превышение 3%-ного массового загрязнения витковой изоляции обмоток трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов напряжением 110 кВ и выше металлосодержащими коллоидными частицами (медь, железо) может служить основанием считать состояние данного трансформаторного оборудования предельным. При этом для сетевых трансформаторов фактор загрязнения витковой изоляции металл о содержащими коллоидными частицами может быть основным для признания состояния трансформатора предельным. Предельно допустимый износ витковой изоляции обмоток длительно работающих трансформаторов наблюдается прежде всего у ночных трансформаторов, имеющих более высокие нагрузки, чем сетевые трансформаторы [16].

    Как уже отмечалось, существенную роль при эксплуатации трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов для обеспечения предельного срока их службы играют фильтры непрерывной очистки масла, предохраняющие изоляцию обмоток от опасного загрязнения. Эффектность работы фильтров можно наглядно оценить на примере трансформаторов, находящихся в резерве. Режим работы таких трансформаторов определяется следующими основными факторами: отсутствует электрическое поле; температура частей трансформатора и трансформаторного масла равна температуре окружающей среды (воздуха) из-за отсутствия нагрузки трансформатора; не функционирует система охлаждения; не функционирует система фильтров непрерывной очистки масла из-за отсутствия его циркуляции.

    В качестве примера рассмотрим состояние изоляции отвода обмотки высшего напряжения и качество масла резервного трансформатора типа 1Д-63000/110. Степень полимеризации образца изоляции составляет 840 единиц (предельно допустимое значение 250 единиц). Массовое содержание металла (меди и железа) в изоляции отвода относительно невелико - 0,0848%, т.е. достаточно далеко от уровня 1%, при котором проводит образование значительных количеств токопроводящих нестехиометрических оксидов, способствующих развитию витковых замыканий. Однако при отсутствии функционирования темы фильтров непрерывной очистки масла содержание в нём меди и железа составило 5,36 и 35 мг/л соответственно. Эти значения в 20 раз превышают рекомендуемые в [3] критерии, характеризующие нормальное состояние масла, что могло быть вызвано сильным местным развитием коррозионных процессов в конструкционных материалах трансформатора. Качество масла данного резервного трансформатора неудовлетворительное , о чём свидетельствуют также показатели поверхностного натяжения (27,9 мН/м), кислотного па (0,133 мг КОН/г) и высокие значения мутности (161 м 1) и цвета (6,5 единиц ЦНТ). Для эксплуатационных масел поверхностное натяжение,ограничивающее область нормального состояния масла, составляет 28 мН/м. Предельно допустимое значение этого показателя, 22 мН/м, указывает на возможность образования в масле осадка и шлама [17]. Таким образом, поверхностное натяжение масла рассматриваемого резервного трансформатора вследствие окисления и развития коллоидно-дисперсных процессов достигло значения, ограничивающего область нормального качества масла. Кислотное число масла, 0,133 мг КОН/г, превышает значение 0,1 мг КОН/г, ограничивающее область нормального состояния масла [12]. Показатели оптической мутности, 161 м-1, и цвета, 6,5 единиц ЦНТ, относительно близки к значениям 200 1 и 7,5 единиц ЦНТ соответственно, ограничивающим область нормального состояния масла согласно [18].

    Тем не менее сильное загрязнение трансформаторного масла металл о содержащими коллоидными частицами не привело к существенному загрязнению поверхности изоляции обмоток трансформатора ТДТН-10000/110 частицами меди и железа, поскольку в резервном трансформаторе отсутствовали электрическое поле и повышенные температуры. Формирование осадка из частиц примесей на поверхности изоляции обмоток работающего трансформатора происходит под действием сил на поляризованные частицы в неоднородном электрическом поле, движение которых направлено к обмотке в область максимальной напряжённости электрического поля, а также под действием сил, обусловливающих апериодический дрейф заряженных частиц в область меньших напряжённостей поля (между катушками), с учётом силы тяжести, Архимедовой силы, силы Кулона, процесса коагуляции (укрупнения частиц), повышенных температур [19, 20].

    Как показывает опыт эксплуатации и исследования формирования осадка из частиц примесей на поверхности твёрдого диэлектрика обмоток трансформатора, осадок налипает главным образом на поверхность бумажной изоляции обмоток в области повышенных температур и напряжённостей электрического поля в зоне верхних катушек и между катушками на бумажном покрытии обмоток высшего напряжения, которые обычно бывают наружными. В качестве иллюстрации к сказанному приведён рисунок, на котором хорошо виден слой частиц, осевших на поверхности изоляции наружной обмотки высшего напряжения трансформатора.

    Заметим, что наряду с металлосодержащими коллоидными частицами оседать на поверхности изоляции могут также частицы шлама, образующиеся в результате окисления бумажно-масляной изоляции. Механизм повреждения витковой изоляции в этом случае определяется ухудшением передачи тепла от провода обмоток трансформатора в окружающую среду (масло), что вызывает дополнительный разогрев участка изоляции тепловыделение от провода превосходит те передачу в окружающую среду (масло), происходит потеря термической стойкости материала изоляции, сопровождающаяся прогоранием изоляции электрическим замыканием витков в месте прогорания.

    Оценим роль фильтров непрерывной о масла в процессе шламообразования. Концентрация в масле кислых и окисленных полярных продуктов деградации бумажно-масляной изоляции как катализаторов шламовыделения о пределяется в целом кислотным числом. В соответствии значение кислотного числа эксплуатационных масел, ограничивающее область нормального качества масла, составляет 0,1 мг КОН/г, предельно допустимое значение данного показателя 0,25 мг КОН/г.

    Выводы

    1. Ухудшение состояния изоляции обмоток трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов связано со многими факторами, в том числе с образованием в трансформаном масле в процессе эксплуатации в результате взаимодействия масла с конструкционными материалами (медью обмоток, железом бака, сердечника и др.) металлосодержащих коллоидных частиц и загрязнением ими обмоток.

    2. Загрязнение витковой изоляции обмоток трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов металлосодержащими коллоидными частицами при массовой концентрации металла (медь, железо) более 1% под действием начальных частичных разрядов приводит к образованию ультрадисперсной фазы (с нанометровыми размерами частиц) металла и его оксидов с хорошо проводящими свойствами, при массовой концентрации металла более 3% - с пирофорными (самовоспламенение при контакте с кислородом воздуха) свойствами.

    3. Превышение показателя загрязнения витковой изоляции обмоток трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов напряжением 110 кВ и выше металлосодержащими коллоидными частицами (медь, железо) 3% по массе может служить основанием для признания состояния указанного оборудования предельным.

    4. Существенную роль в продлении срока службы трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов играют фильтры непрерывной очистки масла (термосифонные, адсорбционные), предохраняющие изоляцию обмоток от опасного загрязнения.

    5. Значительно более высокие показатели загрязнения трансформаторного масла (кислотное число, содержание меди и железа) резервных трансформаторов по сравнению с эксплуатируемыми объясняются значительным окислением масла в режиме длительного простоя фильтров непрерывной очистки масла.

    Список литературы

    1. The effect of passivator additive used in transformers and reactors mineral oil to neutralize the sulfur corrosion, and its influence on low thermal defect / Vita A., Patrocinio P. R. Т., Godinho S. A. et al. - CIGRE session, 2008, A2 - 215.

    2. Кучинский Г. С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979.

    3. Загрязнение трансформаторного масла силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов металлосодержащими коллоидными частицами / Львов С. Ю., Комаров В. Б.. Бондарева В. Н. и др. - Электрические станции, 2010, № 12.

    4. Эксплуатация силовых трансформаторов при исчерпании ресурса изоляции обмоток / Ванин Б. В., Львов Ю. Н., Львов М. Ю., Шифрин Л. Н. - Электрические станции, 2004, № 2.

    5. Образование ультрадисперсных оксидной и металлической фаз при облучении ускоренными электронами целлюлозы. модифицированной солями переходных металлов Комаров В. Б., Карташов Н. И.. Ершов Б. Г. и др. - Химия высоких энергий, 1999, том 33, № 3.

    6. Петров А. Н. Нестехиометрические твёрдые оксидовые материалы современной техники. - Известия Уральского государственного университета, 2001, № 19.

    7. Анализ общих условий существования начальных частичных разрядов в масляных прослойках витковой из (трансформатора / Львов С. Ю., Ванин Б. В., Львов и др. - Электрические станции, 2009, № 6.

    8. ГОСТ 14209-85. Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки.

    9. ГОСТ Р 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.

    10. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под редакцией Лизунова С. Д. и ЛоханинаА. К. М.: Энергоатомиздат, 2004.

    11. Методические указания по оценке состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов по степени полимеризации. М "Энергетические технологии", 2008. Утв. ОАО РАС России" 13.12.2007.

    12. РД 34.45-51.300-97. Объём и нормы испытаний электрооборудования. М.: НЦ "Энас", 2004.

    13. Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат, 1983.

    14. Seatiggs К, Marchiori С., Botilho P. Understand! management of sulfur corrosion from insulating - session, 2008, A2-214.

    15. Оценка предельного состояния силовых трансформ и автотрансформаторов / Львов М. Ю., Антипов К. М. Львов Ю. Н. и др. - Электрические станции, 2008.

    16. Львов М. Ю. Анализ повреждаемости силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше. – Электричество 2010, №2.

    17. Международный стандарт IEC 60422. Минеральные изоляционные масла в электрооборудовании. Руководи контролю и содержанию, 2005.

    18. Взаимосвязь показателей поверхностного натяжения, оптической мутности и цвета эксплуатационных трансформаторных масел / Львов С. Ю., Лютько Е. О. Ланкау Я. В. и др. - Электрические станции, 2011, № 7.

    19. Львов М. Ю. Коллоидно-дисперсные процессы в высоковольтных герметичных вводах трансформаторов. - Электрические станции, 2000, № 4.

    20. Митъкин Ю. А., Прусаков М. В. Формирование ос частиц примесей на поверхности твёрдого люлек маслонаполненном высоковольтном оборудовании.- Вестник ИГЭУ, 2006, вып. 4.

    21. Berg О., Herdlevar К., Dahlund М. et al. Experienc on-site transformer oil reclaiming. - CIGRE sessior 12-103.

     

     

     
     
    Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
    Источник:  ©  Львов С. Ю., ООО "Прессэлектро", Лютько Е.О., ОАО "НТЦ электроэнергетики" и др. О развитии витковых замыканий при загрязнении обмоток трансформаторов металлосодержащими коллоидными частицами. Электрические станции, №  7,  2011.– С.43-49.
    Материал размещен на www.transform.ru: 1.09.2011 г.
     

     

    Перейти в форум для обсуждения

      ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


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