CC BY
35
УДК 621.321
Диагностические статистические характеристики пробивных напряжений масла действующих силовых трансформаторов 110 кВ
Ю.А. Митькин, О.С. Мельникова ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,
г. Иваново, Российская Федерация E-mail: mitkinya@mail.ru, o.c.melnikova@mail.ru
Авторское резюме
Состояние вопроса: Совершенствование методов диагностики внутренней изоляции маслонаполненных трансформаторов обусловило применение для диагностирования этой изоляции статистических характеристик электрической прочности масла, которые определяются по результатам его испытаний в стандартном маслопро-бойнике. Эффективность применения таких диагностических характеристик зависит от их изученности и установления их нормативных параметров. В связи с этим актуальным является проведение исследований, позволяющих более обоснованно выбрать диагностические статистические характеристики пробивных напряжений эксплуатационных масел и их нормативных показателей, отражающих особенности работы трансформаторов. Материалы и методы: Диагностические статистические характеристики пробивных напряжений эксплуатационных масел определены с использованием результатов эксплуатационных испытаний трансформаторного масла в маслопробойнике из действующих трансформаторов, которые обрабатывались методами теории вероятностей и математической статистики.
Результаты: Определены диагностические статистические характеристики пробивных напряжений эксплуатационных масел в маслопробойнике по традиционной методике и с применением параметров распределения Гне-денко-Вейбулла. Установлены пределы изменения значений этих характеристик и их соответствие нормативным значениям. Выявлено, что нормативное значение коэффициента вариации среднего пробивного напряжения обусловливает снижение требований к качеству эксплуатационного масла трансформаторов. Показано, что значения нижнего предела пробивного напряжения масла отражают наличие частиц примесей в масле. Выводы: Полученные значения диагностических статистических характеристик пробивных напряжений эксплуатационных масел и их пределов изменения могут использоваться при выборе более обоснованных нормативных показателей диагностических характеристик внутренней изоляции трансформаторов в целях повышения их эксплуатационной надежности.
Ключевые слова: диагностические характеристики, силовой трансформатор, трансформаторное масло, пробивное напряжение, электрическая прочность, статистические характеристики.
Diagnostic statistical characteristics of breakdown oil voltage of 110 kV power transformers in operation
Yu.A. Mit'kin, O.S. Mel'nikova Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russian Federation E-mail: mitkinya@mail.ru, o.c.melnikova@mail.ru
Abstract
Background: Improvement of internal insulation diagnostic methods of oil-filled transformers made it possible to apply for insulation diagnosis the oil electric strength statistical characteristics which are determined by the results of oil tests in a standard oil-testing device. The efficiency of such diagnosis depends on how well these characteristics are known and on their standard values. In this regard, it is relevant to conduct studies that would enable a more reasonable choice of the statistical diagnostic characteristics of breakdown voltages of the operating oils and of their standard indicators reflecting the characteristics of transformer operation.
Materials and methods: Statistical diagnostic parameters of breakage voltages of operating oils were determined based on oil tests in an oil-testing device for the transformers in operation by applying methods of probability theory and mathematical statistical theory.
Results: Statistical diagnostic parameters of breakage voltages of operating oils in an oil-testing device were determined by traditional methods and by using the Weibull-Gnedenko distribution parameters. The variation of these characteristics range and their regulatory values were identified. It was revealed that the normative value of the average breakdown voltage variation coefficient causes reduction in requirements for operational quality of transformer oil. It was shown that the breakdown voltage lower limit value reflects presence of oil impurities inside oil.
Conclusions: The obtained values of operational oil breakdown voltage statistical diagnostic characteristics and their variation ranges can be used to set up more reasonable limits of internal isolation transformer diagnostic parameters in order to increase transformer operational reliability.
Key words: diagnostic parameters, power transformer, transformer oil, breakdown voltage, electrical strength, statistical performance.
DОI: 10.17588/2072-2672.2016.3.040-046
Анализ эксплуатационной надежности силовых маслонаполненных трансформаторов [1, 2] показал, что основной причиной их отказов является снижение электрической прочности внутренней изоляции. При ограниченных возможностях замены оборудования актуальным становится вопрос о разработке новых методов обеспечения работоспособности силовых трансформаторов в эксплуатации [3, 4].
В нормативных документах России1 и зарубежных стран2 при определении технического состояния внутренней изоляции силовых трансформаторов в качестве диагностического параметра предусмотрено применение среднего пробивного напряжения трансформаторного масла, определяемого по результатам его испытаний в стандартном маслопробойнике. Для обеспечения заданного уровня электрической прочности изоляции различных категорий электрооборудования нормативные значения среднего пробивного напряжения масла установлены с учетом их классов напряжений.
Однако в РД 34.45-51.300-97 не предусмотрен диагностический параметр, отражающий влияние разброса пробивного напряжения масла на статистические характеристики электрической прочности изоляции силовых трансформаторов и особенности работы электроизоляционных жидкостей в высоковольтном электрооборудовании. Вместе с тем при повышенном разбросе пробивных напряжений трансформаторного масла происходит увеличение вероятности пробоя масляных каналов в изоляции трансформаторов при меньших значениях воздействующего напряжения, что обусловливает снижение эксплуатационной надежности трансформаторов [5, 6].
Следует отметить, что при испытаниях жидких электроизоляционных материалов на пробой, по ГОСТ 6581-753, предусмотрено определение среднего пробивного напряжения по 6 пробоям и его коэффициента вариации, характеризующего разброс пробивного напряжения. По этому стандарту, предельное значение коэффициента вариации установлено 20 %. Однако в этом случае коэффициент вариации пробивного напряжения от его среднего значения при числе пробоев в опыте п = 6 составляет 48,99 % [7], что существенно больше соответствующих значений коэффициента вариации пробивного напряжения
1 РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования / под ред. Б.А. Алексеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамиконянца. - Изд. 6-е, с изм. и доп. - М.: НЦ ЭНАС, 2004.
2 ДвТМ 01816-67 (1971, США). Метод определения пробивного напряжения нефтяных электроизоляционных масел с помощью УйБ-электродов // Сборник стандартов США по испытанию электроизоляционных материалов / пер. с англ. под ред. проф. Н.В. Александрова. - М.: Энергия, 1979.
3 ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81). Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний. -М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.
трансформаторного масла от его среднего значения для технически чистых минеральных масел (достигают 10-15 %) [8, 9]. Таким образом, применение нормативного значения коэффициента вариации 20 % применительно к маслу означает значительное снижение требований к качеству эксплуатационного трансформаторного масла, приводящее к возрастанию вероятности пробоя масляных каналов изоляции трансформаторов.
Вышеприведенные традиционные статистические характеристики пробивных напряжений масла являются параметрами нормального закона распределения случайной величины. В последнее время в качестве диагностических параметров изоляции электрооборудования рассматриваются параметры трехпара-метрического распределения Гнеденко-Вейбулла [5, 10], которое отвечает физическому смыслу формирования пробоя в трансформаторном масле и содержит важный параметр -нижний предел пробивного напряжения [11].
Одновременно с этим проводятся работы по совершенствованию нормативно-технической документации [12], направленные на повышение качества изоляции силовых трансформаторов в эксплуатации.
Важно также отметить, что в специальной научно-технической литературе мало уделяется внимания анализу результатов статистических характеристик пробивных напряжений эксплуатационных трансформаторных масел в маслопробойнике, что затрудняет выбор и разработку более обоснованных диагностических статистических характеристик пробивных напряжений масла силовых трансформаторов и их нормативных показателей.
С учетом вышеизложенного поставлены и решены задачи по определению статистических характеристик пробивных напряжений эксплуатационных масел в маслопробойнике, выявлению диапазонов изменения и корреляционных связей этих диагностических характеристик для действующих силовых трансформаторов 110 кВ.
Методика исследования. Для исследований по результатам эксплуатационных испытаний была создана база данных пробивных напряжений трансформаторного масла из силовых трансформаторов с номинальным напряжением 110 кВ. В целом было исследовано масло из 74 трансформаторов, установленных в электрических сетях и на электростанциях.
Определение и анализ статистических характеристик пробивных напряжений трансформаторного масла проводились с примене-
4
нием стандартной методики и методов математической статистики [7]. При этом определялись следующие традиционные статистические характеристик пробивных напряжений масла:
4 ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81).
• среднее арифметическое значение пробивного напряжения
1 п
ипр >= - Хипр,/; п /=1
(1)
• среднее квадратическое отклонение среднего арифметического значения пробивного напряжения
■><ипп >
1
Ж,, -< ипр >):
2
/=1
(2)
п (п -1)
• коэффициент вариации среднего пробивного напряжения
V
ст<и
пр >
<ипр > < и > < ипр >
• 100%;
(3)
• среднее квадратическое отклонение пробивного напряжения от его среднего значения
сти =
пр
2
Кипр,/-< ипр >)
1=1_
(п -1)
(4)
• коэффициент вариации пробивного напряжения
ст
пр
пр < и >
< ипр >
• 100%.
(5)
По методике [13] определялись статистические характеристики пробивных напряжений масла с применением трехпараметри-ческого распределения Гнеденко-Вейбулла:
Р(и) = 1- ехр
и - ин Ц) - ин
(6)
где и0 - пробивное напряжение, при котором F(Uo) = 1-е-1; ин - нижний предел пробивного напряжения; а - безразмерный параметр.
Статистические характеристики пробивных напряжений эксплуатационных трансформаторных масел. Исследование изменения традиционных диагностических статистических параметров показало, что средние пробивные напряжения эксплуатационных трансформаторных масел для всех исследуемых трансформаторов удовлетворяют нормативным требованиям5, т. е. (<ипр>) > 35 кВ (рис. 1). Среднее арифметическое значение среднего пробивного напряжения составляет 57 кВ, минимальное и максимальное значения -соответственно 40 и 74 кВ.
На рис. 2 представлена гистограмма распределения коэффициентов вариации V<Uпp> и VUпp. Отмечается, что в эксплуатации наиболее вероятные значения коэффициента вариации V<Uпp> находятся в диапазоне 5,52-6,33 %, среднее арифметическое значение V<Uпp> составляет 4,7 %, минимальное и максимальное значения - соответственно 0,65 и 8,8 %. Полученные значения коэффициента вариации
1 ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81).
V<Uпр> эксплуатационных масел существенно меньше нормативного значения 20 %6. Это указывает на то, что ГОСТ 6581-75 по диагностическому параметру V<Uпp> допускает заниженное качество для эксплуатационных масел.
35 40 45 50 55 60 65 70 75
<Ц,р>, кВ
Рис. 1. Гистограмма распределения средних пробивных напряжений эксплуатационных трансформаторных масел
На рис. 3 представлены гистограммы распределения коэффициента вариации среднего пробивного напряжения трансформаторного масла в маслопробойнике при различных границах интервалов отклонений средних пробивных напряжений. Из приведенных данных следует, что фактически для всех интервалов коэффициента вариации V<Uпp> наблюдаются наибольшие значения вероятности появления параметра V<Uпp> при повышенных значениях средних пробивных значений трансформаторного масла.
Диагностические статистические характеристики пробивных напряжений масла с применением трехпараметрического распределения Гнеденко-Вейбулла представлены на рис. 4-6. В эксплуатации значения отношения U0/Uн (рис. 4) наблюдаются с вероятностью более 20% в диапазоне 1,04-1,51, причем с вероятностью наблюдения 30 % значения этого отношения находятся в диапазоне 1,04-1,27, максимальное значение отношения составляет 3,4.
На рис. 5 представлена гистограмма распределения нижнего предела пробивных напряжений Uн эксплуатационных трансформаторных масел. Среднее арифметическое значение пробивного напряжения Uн составляет 37,8 кВ, что превышает значение среднего пробивного напряжения 35 кВ, установленного нормативом7. Вместе с тем наименьшие значения Uн наблюдаются с вероятностью 27,5 % в диапазоне 20-25 кВ, что указывает на наличие в пробах масла крупных частиц примесей, приводящих к снижению пробивных напряжений этих масел [5, 14].
' ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81).
7 Там же.
<
0,2-
0,15 -
0,1 -
0,05 -
0,00
^<ипр>)
ЛУипр) 0,15 —
0,125-
0,1 -
0,075
0,05-
0,025
0,65 1,46 2,27 3,08 3,89 4,71 5,52 6,33 7,14 7,95 8,76
I
J_|_
J_I I_1_
1,59 3,58 5,56 7,55 9,54 11,53 13,21 15,5 17,49 19,47 21,46 48,99
Уцпр, %
Рис. 2. Гистограмма распределения коэффициентов вариации \/<и„р> и \7и„р
%
«У<ипр>, %)
0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
70 - 75 65 - 70 60 - 65 55 - 60 50 -55 <ипр> кВ 45 - 50
40 - 45
0,65-1,65 1,65-2,65 2,65-3,65 3,65-4,65 4,65-5,65 5,65-6,65 6,65-7,65 7,65-8,65
^<ипр>, %
Рис. 3. Гистограммы распределения коэффициента вариации среднего пробивного напряжения трансформаторного масла в маслопробойнике при различных границах интервалов отклонений средних пробивных напряжений
На рис. 6. представлены гистограммы распределения отношения и0/ин трансформаторного масла в маслопробойнике при различных границах интервалов отклонений параметра а. Для всех интервалов отношения и0/ин наблюдаются наибольшие значения вероятности появления отношения и0/ин при значениях параметра а в диапазоне 3,5-4,0.
Исследования корреляционных связей традиционных диагностических параметров и аналогичных параметров при использовании распределения Гнеденко-Вейбулла показали,
что между параметрами <ипр> и и0 имеет место ярко выраженная положительная корреляция: <ипр> = 0,966 и0 . (7)
Коэффициент корреляции составляет 99,5 %. Различие параметров <ипр> и и0 находится в пределах 3-4%.
Между отношением и0/ин и коэффициентом вариации У<ипр> имеет место (рис. 7) положительная корреляция:
и0/ин =ехр(0,072.0/<Опр >)1,319). (8)
Коэффициент корреляции составляет 96,4 %.
ЯЩ>/ин) 0,3 -
0,25 —
0,2 -
0,15 —
0,1 -
0,05-
0,00-
1,04 1,27 1,51 1,75 1,98 2,22 2,45 2,69 2,92 3,16 3,39
Ос/Он
Рис. 4. Гистограмма распределения отношения 00/0н
и
0,3 -0,250,2 -0,15 — 0,1 -0,05-
0,00-
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Он, кВ
Рис. 5. Гистограмма распределения нижнего предела пробивных напряжений эксплуатационных трансформаторных масел
1,0 - 1,5 1,5 -2,0 2,0 - 2,5 2,5 - 3,0
и^и
3,0 -3,5
Рис. 6. Гистограммы распределения отношения и0/ин трансформаторного масла в пробойнике при различных границах интервалов отклонений параметра а
ских статистических параметров эксплуатаци-
110/11,, 4
Рис. 7. Корреляционная связь отношения и0/ин и коэффициента вариации У<и„р>
В ходе исследования отмечено также некоторое различие в значениях диагностиче-
онных трансформаторных масел из действующих силовых трансформаторов, установленных в электрических сетях и на электростанциях, причем по исследованным диагностическим параметрам качество масел для станционных трансформаторов было выше.
Заключение
Для всех исследованных трансформаторов традиционные диагностические статистические характеристики пробивных напряжений эксплуатационных масел удовлетворяют нормативным требованиям.
Наибольшие значения коэффициента вариации среднего пробивного напряжения исследованных образцов масла в действующих трансформаторах не превышают 9 %, что
3
2
0
2
4
6
8
V
%
<ипр>
значительно меньше нормативного значения8 (20 %). Это подтверждает заниженные нормативные требования к качеству эксплуатационных масел.
Показано, что между средним пробивным напряжением <^р> и параметром U0 имеет место линейная корреляция. Различие между ними находится в пределах 3-4 %. Установлена также корреляционная зависимость отношения от коэффициента вариации
^пр>. Отношение параметров U0IUн находится в пределах 1,04-3,4, а наибольшая вероятность его появления - при значениях 1,0-1,51.
Среднее арифметическое значение нижнего предела пробивного напряжения Uн превышает значение среднего пробивного напряжения, установленного нормативом9. Вместе с тем для некоторых проб масла наблюдается заметное снижение значений Uн, что указывает на наличие в этих пробах масла крупных частиц примесей.
Список литературы
1. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в эксплуатации / Б.В. Ванин, Ю.Н. Львов, М.Ю. Львов и др. // Электрические станции. -2001. - № 9. - С. 53-58.
2. Лоханин А.К., Соколов В.В. Обеспечение работоспособности маслонаполненного оборудования после расчетного срока службы // Электро. - 2002. - № 1. -С. 10-16.
3. Соколов В.В. Актуальные задачи развития методов и средств диагностики трансформаторного оборудования под напряжением // Изв. РАН. Энергетика. - 1997. -№ 1. - С. 155-168.
4. Алексеев Б.А. Крупные силовые трансформаторы. Эксплуатационная надежность, контроль состояния и оценка работоспособности // Энергетика за рубежом: прил. к журн. «Энергетик». - М., 2008. - Вып. 2. - С. 3-56.
5. Электрофизические основы техники высоких напряжений: учеб. для вузов / под ред. И.П. Верещагина,
B.П. Ларионовой. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 543с.
6. Эксплуатация силовых трансформаторов при достижении предельно допустимых показателей износа изоляции обмоток I Б.В. Ванин, Ю.Н. Львов, М.Ю. Львов, Л.Н. Шифрин // Электрические станции. - 2004. - № 2. -
C. 63-65.
7. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. - М.: Наука, 1965. - 512 с.
8. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). - М.: ГИФМЛ, 1958. - 907 с.
9. Техника высоких напряжений: учеб. для вузов / И.М. Богатенков, Ю.Н. Бочаров, и др.; под ред. Г.С. Кучин-ского. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2003. - 608 с.
10. Бортник И.М. Физические свойства и электрическая прочность элегаза. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -77 с.
11. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. - М.: Мир,1965. - 351 с.
12. Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Черезов А.В. Развитие системы нормативно-технической документации для обеспечения эксплуатационной надежности силовых трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 110 кВ и выше // Электрические станции. - 2013. - № 11. -С. 54-9.
13. Митькин Ю.А., Мельникова О.С. Метод определения статистических характеристик электрической
8 ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81).
9 Там же.
прочности трансформаторного масла с применением распределения Гнеденко-Вейбулла по результатам малой экспериментальной выборки // Вестник ИГЭУ. - 2014. -Вып. 2. - С. 18-25.
14. Kok J.A. Electrical breakdown of insulating liquids. -New York: Interscience Publishers, 1961. - 132 с.
References
1.Vanin, B.V., L'vov, Yu.N., L'vov, M.Yu. O povrezhdeniyakh silovykh transformatorov napryazheniem 110-500 kV v ekspluatatsii [Damages of 110-500 kV power transformers under operation]. Elektricheskie stantsii, 2001, no. 9, pp. 53-58.
2. Lokhanin, A.K., Sokolov, V.V. Obespechenie rabo-tosposobnosti maslonapolnennogo oborudovaniya posle ra-schetnogo sroka sluzhby [Securing oil-filled equipment operation after estimated life cycle expiring]. Elektro, 2002, no.1, pp. 10-16.
3. Sokolov, V.V. Aktual'nye zadachi razvitiya metodov i sredstv diagnostiki transformatornogo oborudovaniya pod napryazheniem [Urgent problems of high-voltage transformer equipment methods and tools development/ Izvestiya RAN. Energetika, 1997, no. 1, pp. 155-168.
4. Alekseev, B.A. Krupnye silovye transformatory. Ekspluatatsionnaya nadezhnost', kontrol' sostoyaniya i otsenka rabotosposobnosti [Large power transformers. Operational reliability, condition monitoring and performance assessment]. Energetika za rubezhom: prilozhenie k zhurnalu «Energetik», Moscow, 2008, issue 2, pp. 3-56.
5. Vereshchagin, I.P., Larionova, V.P. Elektrofizi-cheskie osnovy tekhniki vysokikh napryazheniy [Electrophysi-cal basics of high voltage engineering]. Moscow, Energoatom-izdat, 1993. 543 p.
6. Vanin, B.V., L'vov, Yu.N., L'vov, M.Yu., Shifrin, L.N. Ekspluatatsiya silovykh transformatorov pri dostizhenii pre-del'no dopustimykh pokazateley iznosa izolyatsii obmotok [Operation of power transformers when reaching the maximum permissible wear values of the windings]. Elektricheskie stantsii, 2004, no. 2, pp. 63-65.
7. Smirnov, N.V., Dunin-Barkovskiy, I.V. Kurs teorii ve-royatnostey i matematicheskoy statistiki dlya tekhnicheskikh prilozheniy [A course of probability theory and mathematical statistics for technical applications]. Moscow, Nauka, 1965. 512 p.
8. Skanavi, G.I. Fizika dielektrikov (oblast' sil'nykh po-ley) [Physics of dielectrics (strong fields)]. Moscow, GIFMl, 1958. 907 p.
9. Bogatenkov, I.M., Bocharov, Yu.N., Gumerova, N.I. Tekhnika vysokikh napryazheniy [High voltage engineering]. Saint-Petersburg, Energoatomizdat. Sankt-Peterburgskoe otdelenie, 2003. 608 p.
10. Bortnik, I.M. Fizicheskie svoystva i elektricheskaya prochnost' elegaza [Physical properties and electric strength of sulfur hexafluoride]. Moscow, Energoatomizdat, 1988. 77 p.
11. Gumbel', E. Statistika ekstremal'nykh znacheniy. [Statistics of extreme values]. Moscow, Mir, 1965. 351 p.
12. L'vov, M.Yu., L'vov, Yu.N., Cherezov, A.V. Razvitie sistemy normativno-tekhnicheskoy dokumentatsii dlya obespe-cheniya ekspluatatsionnoy nadezhnosti silovykh transformato-rov i avtotransformatorov napryazheniem 110 kV i vyshe [Development of standard technical documentation system to ensure operational reliability of > 110 kV power transformers and autotransformers]. Elektricheskie stantsii, 2013, no. 11, pp. 54-59.
13. Mit'kin, Yu.A., Mel'nikova, O.S. Metod opredeleniya statisticheskikh kharakteristik elektricheskoy prochnosti trans-formatornogo masla s primeneniem raspredeleniya Gnedenko-Veybulla po rezul'tatam maloy eksperimental'noy vyborki [Method of determining statistical characteristics for electrical strength of transformer oil using Gnedenko-Weibull distribution based on the results of a small experimental sample]. Vestnik IGEU, 2014, issue 2, pp.18-25.
14. Kok, J.A. Electrical breakdown of insulating liquids. New York: Interscience Publishers, 1961. 132 p.
Митькин Юрий Алексеевич,
ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор кафедры высоковольтных электроэнергетики, электротехники и электрофизики,
телефон (4932) 26-97-23, e-mail: mitkinya@mail.ru
Мельникова Ольга Сергеевна,
ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,
старший преподаватель кафедры высоковольтных электроэнергетики, электротехники и электрофизики,
e-mail: o.c.melnikova@mail.ru
