CC BY
159
УДК 621.314.222.6 ББК 31.261.8
А.В. ИВАНОВ, Л.М. РЫБАКОВ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Ключевые слова: трансформатор, контроль изоляции, высокочастотное зондирование, тангенс угла диэлектрических потерь.
Рассмотрены методы контроля изоляции силовых трансформаторов, используемых в настоящее время. Показаны присущие всем методам недостатки: существующие методы выявляют только распределенные дефекты по всему объему силового трансформатора и не выявляют сосредоточенные (местные) дефекты, которые являются признаком начала деградации изоляционной системы «твердый диэлектрик - масло». Большинство применяемых методов чувствительны к состоянию масла, залитого в трансформатор, что затрудняет выявления дефектов в твердой изоляции. Контроль изоляции на действующих электроустановках существующими методами затруднен из-за влияния внешних электромагнитных полей, генерируемых работающим высоковольтным оборудованием, расположенным рядом с контролируемым трансформатором. Предложен новый метод контроля изоляции на основе использования высокочастотного зондирования. С точки зрения контроля изоляции схема замещения обмотки силового трансформатора меняется при изменении частоты приложенного напряжения от 0 до да с учетом активного сопротивления, индуктивности и емкости. Разработано устройство контроля состояния изоляции, позволяющее оценить как распределенные дефекты состояния катушки, так и дефекты, сосредоточенные по слоям катушек.
A. IVANOV, L. RYBAKOV DEVELOPMENT MONITORING OF HIGH VOLTAGE INSULATION ELECTRIC EQUIPMENT BASED ON HIGH SENSING Key words: transformer, insulation monitoring, high-frequency sensing, the dielectric loss tangent.
The article regards the techniques currently used to monitor power transformers insulation. It demonstrates typical drawbacks common for all methods: the existing methods detect only defects distributed throughout the power transformer and do not reveal the concentrated (local) defects that symbolize the beginning of degradation of the «solid dielectric - oil» insulation system. Most of the employed methods are sensitive to the state of oil poured into the transformer, making it difficult to detect defects in solid insulation. Monitoring insulation on working electric installations by existing methods is hindered by the influence of external electromagnetic fields generated by operating high-voltage equipment located near the transformer being monitored. A new method is proposed to monitor insulation, which is based on high-frequency sensing. In terms of insulation control, the circuit of the power transformer winding varies corresponding to applied voltage frequency change from 0 to да taking into account active resistance, inductivity and capacity. We designed a device for monitoring the state of insulation which allows to evaluate the distributed defects of the coil as well as the defects concentrated in the coils layers.
В настоящее время для оценки состояния силовых трансформаторов применяются многочисленные методы и средства: измерение сопротивления изоляции обмоток, коэффициента истинной абсорбции, метод «емкость -частота», метод «емкость - температура», метод «емкость - время», измерение тока разрядов, тангенса угла диэлектрических потерь, анализ растворенных в масле газов для диагностирования состояния изоляции силовых трансформаторов [1].
Однако все методы выявляют дефекты, распределенные по всему объему силового трансформатора, и не выявляют сосредоточенные (местные) дефекты, которые являются признаком начала деградации изоляционной системы «твердый диэлектрик - масло». С помощью наиболее распространенного метода оценки изоляции измерением тангенса угла диэлектрических потерь с использованием высоковольтных мостов Р-5026 и Вектор-2.0 М в какой-то мере можно выявить сосредоточенные дефекты при подаче высокого напряжения на контролируемый объект до 2 ин, но это усложняет процесс контроля [2].
Традиционные методы контроля требуют отключения трансформатора на период измерения и достаточно трудоемки и малоэффективны.
На основании анализа перечисленных способов диагностирования изоляции трансформаторов можно сделать следующие выводы:
1. Опыт профилактических проверок состояния изоляции свидетельствует о том, что методы, используемые в настоящее время, еще недостаточно эффективны и не удовлетворяют требованиям эксплуатации.
2. Существующие методы проверки изоляции (измерение tg5, Кабс, С2/С50 и др.) не обнаруживают опасных ухудшений состояния изоляции, не чувствительны к ее старению, а в некоторых случаях ошибочно оценивают состояние изоляции.
3. Все рассмотренные методы (Я60/Я15, С2/С50, Сгор/Схол, Ки, ДСабс/С) диагностирования изоляции основаны на использовании явления абсорбции. На абсорбционные характеристики изоляции, кроме увлажнения, влияет ряд факторов, например, температура, погрешность измерительной аппаратуры, затрудняющие определение состояние изоляции.
4. Существующие методы сложны и трудоемки, требуют привлечения к измерениям высококвалифицированных специалистов, а также отключения оборудования на период проверки.
5. Всем методам, кроме Сгор/Схол, присуща зависимость результатов измерений от физико-химических показателей масла. Продукты разложения масла и твердой изоляции вносят большие погрешности при оценке состояния изоляции.
6. Многие методы подвержены влиянию электромагнитных полей, которые вносят значительные погрешности на результаты измерения.
7. Все существующие методы контроля состояния изоляции силовых трансформаторов базируются на оценке изменения критериев, прямо или косвенно отражающих изменение емкостных характеристик изоляции.
С точки зрения контроля изоляции схема замещения обмотки силового трансформатора меняется при изменении частоты приложенного напряжения от 0 до да по следующему алгоритму:
Я ^ ЯЬ ^ ЯЬС ^ ЬС ^ С, (1)
где Я - активное сопротивление утечки изоляции; Ь - индуктивность слоя катушки или всей обмотки; С - емкость изоляции.
Для элемента электрооборудования, схема замещения которого для частот 30-300 кГц представлена на рис. 1, общее сопротивление оценивается выражением:
= Ю+--1-, (2)
/ю С +---1----
Я , 1 г+-
уюАС
где ю - угловая частота; г - сопротивление фильтра; АС - разность емкостей фильтра (рис. 1).
Из формулы (2) видно, что входное сопротивление меняется от параметров АС и г, определяющих состояние изоляции [3].
Значение первого слагаемого (2) (индуктивности) от состояния изоляции не меняется.
Второе слагаемое меняется в зависимости от состояния изоляции, а именно от ее увлажнения или старения. Причем ее значение зависит от изменения величин АС и г, в частности, при увлажнении значение АС увеличивается на порядок по отношению к изменению значения Сг.
Следовательно, контроль состояния изоляции можно производить по замерам полного входного сопротивления элементов электрооборудования или по производным величинам, например, по напряжению или току на входном сопротивлении.
Ь
Г
Я
■ и
□
1
г
□
Сг АС
Рис. 1. Упрощенная схема замещения обмотки
Схема (рис. 1) состоит из контура КЬС. Собственная частота этого контура
^ 2к4ТС
где Сю = Сг +—АС— ; Т = АС ■ г ; Сг - геометрическая емкость. 1 + ю2Т
Изменение собственной частоты данной схемы замещения электрооборудования зависит от величин АС и г.
При ю ^ да эквивалентная емкость Сю ^ Сг.
При увлажнении изоляции АС возрастает по сравнению с Сг, при этом г и собственная частота уменьшаются.
Изоляцию объекта можно считать диэлектриком условного электрического конденсатора, а контроль параметров изоляции сводится к наблюдению за изменением характеристик этого конденсатора [4].
Если материал изоляции отвечает требованиям эксплуатации, то соответствующая собственная частота является опорной, относительно которой сравнива-
2
вх
ется последующее отклонение собственной частоты вследствие изменения состояния изоляции, т.е. АС и г. Для обоснования диагностических признаков состояния внутренней изоляции силовых трансформаторов схема замещения при исследовании на частотах до 103 кГц, близких к собственной частоте слоевой катушки, представляется матричной формой, состоящей из элементарных контуров ЯЬС (рис. 2), как для элемента изоляции аналогично рис. 1 [4].
п + 1
п
п - 1
< \ ? II
К — - V
ЙШ
Рис. 2. Схема замещения для слоевой обмотки трансформатора: Ь - витковая индуктивность; К - витковая емкость одного слоя;
С - витковая емкость между слоями; п - число слоев
Значения индуктивности Ь и емкостей К и С определяются геометрическими размерами конструкции витка, слоя, катушки или в целом обмотки. Основными составляющими геометрических размеров конструкции являются радиус и высота витка, слоя, катушки. Если преобразовать полные схемы замещения обмотки, состоящей из элементарных контуров ЬС, и свести ее к каскадам четырехполюсников, то каждый из них будет несимметричным, поскольку для каждого четырехполюсника индуктивности и емкости определяются следующими функциями:
Ь = ^(х), С = ^(х; £г.экв), К = ^з(/; 8г.ЭКв). (4)
где х - радиус витка, слоя, катушки; I - высота витка, катушки, обмотки; 8гэкв - диэлектрическая проницаемость жидкой и твердой составляющих изоляции (масло, текстолит, гетинакс, целлюлоза, дерево), которая постоянна для одного из состояний изоляции.
Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры 1°С, влажности и критерия т, определяющего фактор старения (окисления) изоляции:
8г.экв = Я%0; т), (5)
что связано с появлением свободных химических соединений (щелочей, высоко- и низкомолекулярных кислот, солей), а также с изменением молекулярного строения материала твердой и жидкой изоляции, старением твердой изоляции и появлением в масле продуктов их старения.
С
I
При постоянной температуре активной части силового трансформатора емкостные параметры витка, слоя, катушки и в целом обмотки находятся в зависимости от увлажнения и старения изоляции:
С = ^(Я0/«; т), К = т). (6)
Обмотки трансформатора представлены слоями, катушками и слоями катушек с постоянной индуктивностью и переменной емкостью, поэтому емкость является одним из основных критериев, определяющих состояние изоляции. Отсюда следует, что каждому слою витков, слою катушек или отдельных катушек соответствуют собственные частоты.
По результатам исследований амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), снятых при различных состояниях внутренней изоляции, определены требования к техническим устройствам диагностирования и принципу построения функциональной схемы. Принцип построения схемы устройства диагностирования может быть определен по результатам исследования возможных критериев оценки состояния изоляции [5].
Критерий оценивания состояния изоляции основан на измерении разности напряжений Аи и коэффициента передачи к высокочастотного сигнала, поданного на обмотку низшего напряжения и снятого с обмотки высшего напряжения диагностируемого силового трансформатора.
Структурная схема устройства диагностирования состояния изоляции (УДСИ-1), осуществляющего диагностирование изоляции при снятом рабочем напряжении по разности напряжений и коэффициенту передачи, приведена на рис. 3.
Частотомер Индикатор
00000000
Рис. 3. Структурная схема устройства диагностирования УДСИ-1
Данный способ диагностирования позволяет определить распределенные дефекты и дефекты, сосредоточенные по слоям обмоток [6].
Выводы. 1. Предложен метод диагностирования изоляции обмоток силовых трансформаторов 10/0,4 кВ при их увлажнении, позволяющий выявить распределенные и сосредоточенные дефекты по слоям обмоток.
2. Лабораторные исследования и полевые испытания подтвердили правильность теоретических выводов, позволили определить критерии оценки состояния внутриобмоточной изоляции силовых трансформаторов по изменению параметров АЧХ, а также технические требования к УДСИ.
3. Метод диагностирования на основе изменения параметров АЧХ более чувствителен к изменению состояния изоляции по сравнению с традиционными методами, позволяет выявлять дефекты на ранней стадии их возникновения, предотвращать развитие аварий, сократить время диагностирования, снизить затраты на ремонтно-восстановительные работы и требования к квалификации персонала.
4. Обоснованы конструктивные параметры устройства диагностирования состояния обмоток силовых трансформаторов.
5. Результаты сравнения экспериментальных исследований по контролю изоляции силовых трансформаторов традиционными методами и с помощью разработанных устройств показали большую чувствительность к дефектам в начальной стадии их возникновения.
Литература
1. Рыбаков Л.М., Анчарова Т.В., Ахметшин Р.С. Диагностирование силовых трансформаторов I и II габаритов напряжением 10/0.4 кВ под рабочим напряжением с использованием частотных характеристик // Вестник МЭИ. 2003. № 3. С. 39-48.
2. Рыбаков Л.М., Ахметшин Р.С. Технические средства диагностирования силовых трансформаторов 10/0,4 кВ на основе частотных характеристик // Электричество. 2005. № 5. С. 20-26.
3. Рыбаков Л.М., Макарова Н.Л. Критерии оценки состояния изоляции силовых трансформаторов, эксплуатируемых в России // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы междунар. науч.-техн. конф. Саратов: КУБиК, 2010. С. 214-218.
4. Рыбаков Л.М., Макарова Н.Л. Обоснование диагностических признаков силовых трансформаторов // Агроинженерия: Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина. 2010. Вып. 2 (41). C. 22-24.
5. Рыбаков Л.М., Иванова З.Г. Исследование резонансных частот силовых трансформаторов при моделировании увлажнения и витковых замыканий для обоснования диагностических признаков оценки состояния обмоток // Итоги науки: избр. тр. междунар. симпозиума по фундаментальным и прикладным проблемам науки. М.: РАН, 2013. Т. 1. С. 114-128.
6. Рыбаков Л.М., Иванова З.Г., Макарова Н.Л., Парубец А.М. О методах диагностирования изоляции силовых трансформаторов // Оралдыц гылым жаршысы (Уральский научный вестник). Сер. Технические науки. 2014. № 21(100). С. 34-42.
References
1. Rybakov L.M., Ancharova T.V., Akhmetshin R.S. Diagnostirovanie silovykh transforma-torov I i II gabaritov napryazheniem 10/0,4 kVpod rabochim napryazheniem s ispol'zovaniem cha-stotnykh kharakteristik [Diagnosis of power transformers I and II size 10 / 0.4 kV under operating voltage with frequency characteristics]. VestnikMEI [Bulletin of the MEI], 2003, no. 3, pp. 39-48.
2. Rybakov L.M., Akhmetshin R.S. Tekhnicheskie sredstva diagnostirovaniya silovykh trans-formatorov 10/0,4 kVna osnove chastotnykh kharakteristik [Technical means of diagnosis of power
transformers 10/0,4 kV on the basis of the frequency characteristics], Elektrichestvo [Electricity], 2005, no, 5, pp, 20-26,
3, Rybakov L.M., Makarova N.L. Kriterii otsenki sostoyaniya izolyatsii silovykh transforma-torov, ekspluatiruemykh v Rossii [Criteria for assessing the insulation condition of power transformers operated in Russia], Aktual'nye problemy energetiki APK: Materialy mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii [Proc, of the International Scientific and Technical Conference «Actual problems of agroindustrial complex power»], Saratov, KUBiK Publ,, 2010, pp, 214-218,
4, Rybakov L,M,, Makarova N,L, Obosnovanie diagnosticheskikh priznakov silovykh transfor-matorov [Justification diagnostic signs of power transformers], Agroinzheneriya: Vestnik Moscows-kogo gosudarstvennogo agroinzhenernogo universiteta im. V.P. Goryachkina [Agroengineering: Bulletin of the Moscow State University Agroengineering named after V,P, Goryachkin], 2010, vol, 2(41), pp, 22-24,
5, Rybakov L,M,, Ivanova Z,G, Issledovanie rezonansnykh chastot silovykh transformatorov pri modelirovanii uvlazhneniya i vitkovykh zamykanii dlya obosnovaniya diagnosticheskikh priznakov otsenki sostoyaniya obmotok [Investigation of the resonance frequencies of power transformers in the simulation moisture and interturn fault diagnostic features to justify assessment of the windings], Itogi nauki. Izbrannye trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma po fundamental'nym i prikladnym problemam nauki. Tom 1 [The results of science, Selected Works International Symposium on fundamental and applied problems of science, Vol, 1], Moscow, RAN, 2013, pp, 114-128,
6, Rybakov L,M,, Ivanova Z,G,, Makarova N,L,, Parubets A,M, O metodakh diagnostirova-niya izolyatsii silovykh transformatorov [On the methods of diagnosing the insulation of power transformers], Oraldyn gylym zharshysy (Ural'skii nauchnyi vestnik) [Ural Scientific Bulletin], 2014, no, 21(100), pp, 34-42,
ИВАНОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ - аспирант кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (t1990t@mail.ru).
IVANOV ALEKSANDR - post-graduate student of Power Supply and Technical Diagnostics Chair, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
РЫБАКОВ ЛЕОНИД МАКСИМОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (diagnoz@marsu.ru).
RYBAKOV LEONID - doctor of technical sciences, professor of Power Supply and Technical Diagnostics Chair, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
