CC BY
167
УДК 621.314.222.8
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ТИПА НКФ - 110
Ндайизейе Мартин, ФГБОУ ВПО «КГЭУ», martinndayi@mail.ru Ильдарханов Р.Г., ООО ИЦ «Энергопрогресс», г. Казань, тагЫпп-
dayi@mail.ru
Усачев А.Е., ФГБОУ ВПО «КГЭУ», martinndayi@mail.ru Ильдарханов Г.Г., филиал ОАО «Сетевая компания» Набережно-челнинские электрические сети, г. Набережные Челны, martinn-
dayi@mail.ru
В работе приводится описание методики обнаружения дефектов в первичной обмотке измерительных трансформаторов напряжения типа НКФ, возникающих вследствие феррорезонанса. Методика основана на совместном использовании метода частотного анализа и метода измерения сопротивления постоянному току. Ключевые слава: измерительный трансформатор напряжения, дефекты обмоток, феррорезонанс, метод частотного анализа, амплитудно-частотные характеристики.
Введение
Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) - важный элемент электрической сети, обеспечивающий устойчивую работу релейной защиты и автоматики, а также приборов учёта. Надёжное функционирование данного звена электросети является не только условием обеспечения устойчивости энергосистемы, но и способности оперативно выполнять команды Системного оператора. Указанные факторы определяют как надёжность электроснабжения потребителей, так и успешность работы на оптовом рынке электроэнергии.
В настоящее время в составе электрических сетей эксплуати-
94
руется большое количество трансформаторов напряжения типа НКФ на номинальные напряжения 110 и 220 кВ. Обусловлено это тем, что подстанции данных напряжений широко распространены в распределительных сетях Российской Федерации. Несмотря на ведущиеся работы по модернизации, доля ТН типа НКФ в составе установленного оборудования остается достаточно высокой. Необходимо отметить также то, что в номенклатуре выпускаемой продукции трансформаторных заводов содержатся ТН рассматриваемого типа.
Трансформаторы напряжения подвержены влиянию ферромагнитного резонанса, возникающего в случае длительного повышения питающего напряжения с последующим насыщением маг-нитопровода ТН. Данный режим работы способен вызывать возникновение витковых замыканий первичной обмотки. Включение в сеть ТН с дефектами обмоток может приводить к серьезным повреждениям, в том числе с разрывом фарфоровой рубашки дефектного ТН и разливом масла. Подобные аварии несут угрозу жизни и здоровью персонала, эксплуатирующего электроустановку, а также угрозу возникновения пожара.
1. Устройство трансформатора напряжения типа НКФ-110
Первичные обмотки ТН типа НКФ содержат около 22 тысяч витков и изготавливаются из круглого медного провода весьма малого сечения. Объясняется это тем, что сопротивление нагрузки стремится к бесконечности и ТН фактически работает в режиме холостого хода. Таким образом, ток, протекающий в цепи ТН очень мал, что не требует больших сечений проводников обмотки. Вследствие этого, например, номинальное сопротивление первичной обмотки НКФ-110 равно величине порядка 4,5 кОм (см. рис. 1).
95
Рис. 1. Схема трансформатора напряжения типа НКФ-110
а - схема соединения обмоток, б - схема расположения обмоток на магнитопроводе, I, II - номера каскадов первичной обмотки, П - выравнивающая обмотка, ВН - первичная обмотка, ЭК - экран, НН -вторичные обмотки. А, а, ад , Х, х, хд - обозначения выводов обмоток.
На рисунке 2 приведена первичная обмотка верхнего каскада ТН типа НКФ-110.
Рис. 2. Первичная обмотка верхнего каскада ТН типа НКФ-110 (разрез)
96
Первичная обмотка ТН типа НКФ включается на половину рабочего напряжения [1]. Это делается для облегчения продольной изоляции и снижения габаритов трансформатора. Недостатком такого решения является подверженность продольной (витковой) изоляции повреждениям под воздействием длительных повышений напряжения, а также волн перенапряжения с крутым фронтом нарастания (среза).
Повреждение продольной изоляции первичной обмотки приводит к возникновению виткового замыкания, когда часть витков «выключается» из работы. Следствием этого является уменьшение сопротивления постоянному току, а, значит, увеличение тока, протекающего по обмотке. Учитывая малое сечение провода обмотки, повышение тока, протекающего в ней, ведёт к нагреву дефектного участка. Локальное повышение температуры обмотки может служить причиной разложения изоляционного масла, образования газовых включений и начала разрядной активности в изоляции ТН.
Всё это является условием развития дефекта, который, в конечном счёте, может вывести ТН из строя. В ряде случаев развитие подобного дефекта происходит молниеносно, что не позволяет выявлять его при периодическом контроле.
2. Требования нормативной документации по испытаниям ТН
Изучение нормативной документации по испытаниям ТН показало недостаточную разработанность методов по определению указанных дефектов. Например, пункт 8.1.3 РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования» [2] регламентирует измерение сопротивления обмоток постоянному току только для связующих обмоток. При этом отклонение измеренного сопротивления обмотки постоянному току от паспортного значения или от измеренного на других фазах не должно превышать 2%. Данная погрешность обусловлена классами точности измеритель-
97
ных приборов при вольтамперном методе измерения сопротивления. Экспериментальные исследования показали, что для ТН, первичная обмотка которого содержит несколько десятков тысяч витков, данный уровень погрешности является слишком высоким и не позволяет выявлять дефекты на ранней стадии развития.
ГОСТ 1983-2001 «Трансформаторы напряжения. Общие технические условия» [3] регламентирует необходимость измерения сопротивления обмоток постоянному току при квалификационных испытаниях, а также периодических испытаниях не реже одного раза в пять лет. Однако, конкретные виды обмоток (первичная, вторичная, связующая), а также допустимые отклонения значений сопротивления в документе не указаны.
При указании метода измерения сопротивления обмоток постоянному току ГОСТ 1983-2001 ссылается на ГОСТ 3484.1 -88 «Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний» [4], в котором указывается возможность измерения мостом постоянного тока.
3. Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования проводились при пяти состояниях обмотки:
1. Без дефектов.
2. Замыкание двух витков внешнего слоя.
3. Замыкание всех витков внешнего слоя.
4. Замыкание двух внешних слоёв обмотки.
5. Замыкание четырёх внешних слоёв обмотки.
Результаты измерения омического сопротивления первичной обмотки НКФ-110 постоянному току
Измерение омического сопротивления обмоток постоянному току является одним из наиболее простых и безопасных методов контроля состояния обмоток ТН. Для обеспечения более высокой
98
точности измерение омического сопротивления первичной обмотки НКФ-110 проводилось с помощью одинарного моста постоянного тока Р333 при температуре +20°С [5]. Точность измерения при этом составляет 1 Ом (по последнему переключателю моста) или 0,02% от общего сопротивления обмотки, что соответствует замыканию двух витков внешнего слоя обмотки. Для обнаружения замыкания витков с меньшим сопротивлением необходимо использовать мост с более высокой точностью. Изменение температуры на 1°С приводит к изменению полного сопротивления обмотки в среднем на 18,4 Ом, поэтому при измерениях необходимо контролировать температуру обмотки. Для оценки времени остывания обмотки Д1, после которого можно проводить эксперимент, создана модель в среде «Сош8о1», при помощи которой оценивалось тепловое явление в трансформаторе. На рисунке 3 показана сама модель и температурная зависимость от времени, а таблице 1 представлены результаты измерения омического сопротивления обмотки постоянному току.
Л—
I
Рис. 3. Модель (а) и температурная зависимость от времени (б) А1 = Х2 - ^ , где 11 -
время отключения трансформатора, 12- время начало измерения; Д1 - время остывания
обмотки
„I
99
Таблица 1. Результаты измерения омического сопротивления обмотки постоянному току
Тип дефекта Сопротивление обмотки, Ом Сопротивление замкнутого участка, Ом Относительное отклонение, %
до КЗ после КЗ
Замыкание двух витков 4685 4684 1 0,02%
Замыкание одного слоя 4685 4674 10,5 0,23%
Замыкание двух слоев 4685 4589 95,5 2,09%
Замыкание четырех слоев 4685 4494 191 4,25%
Замыкание витков одного слоя по сравнению с межслоевым замыканием является более вероятным дефектом, поскольку кроме непосредственно изоляции обмоточного провода, слои обмотки изолируются маслопропитанной бумагой. При замыкании всех витков одного слоя сопротивление обмотки снижается на 0,2%, что в десять раз ниже нормативных предельных значений изменения сопротивления. Другими словами, возникновение подобного рода опасного дефекта на ранней стадии развития может привести к возникновению ошибки второго рода, когда дефект не фиксируется вследствие несовершенства нормативной документации и методов измерения.
Высокая точность предъявляет повышенные требования к качеству проводимых измерений. Поэтому для подтверждения результатов необходимо проводить измерения несколькими методами, обладающими высокой чувствительностью. Если в случае с методом измерения сопротивления постоянному току повышение чувствительности достигалось использованием более точных измерительных приборов, то в качестве второго чувствительного метода предлагается использование метода частотного анализа (МЧА), основанного на анализе амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) обмоток. Для этого первичная обмотка ТН обследовалась при помощи МЧА с использованием как импульсного, так и частотного подхода.
Импульсный подход реализовывался с помощью диагностического комплекса «Импульс-9» (производство ВЭИ, г. Москва),
100
где в качестве источника тестовых сигналов используется генератор прямоугольных видеоимпульсов длительностью 1 мкс. Для записанных входного сигнала и отклика с помощью программного обеспечения, поставляемого в комплекте с диагностическим комплексом, производился расчет их спектральных плотностей, из которых рассчитывались АЧХ.
В частотном подходе в качестве источника тестовых сигналов использовался генератор синусоидального напряжения Instek GFG 8219^, изменяющегося в диапазоне частот от 10 Гц до 4 МГц, а также осциллограф Tektronix TDS-1002. Измерения проводились в соответствии со стандартом DL/T 911-2004. АЧХ аналогичным образом рассчитывается как отношение спектров входного и выходного напряжения.
k (f) = ЕвыШ (1)
Евх (f) V)
Измерения с помощью МЧА проводились по схеме «ЗИ-А-Х», когда тестовый сигнал подаётся в начало первичной обмотки ТН, а отклик фиксируется на выводах конца обмотки. Остальные обмотки при этом заземляются для обеспечения безопасности.
Результаты измерений комплексом «Импульс-9» показали низкую информативность импульсного подхода МЧА для оценки состояния первичной обмотки ТН. Это является следствием нескольких факторов: сравнительно высокое сопротивление первичной обмотки ТН; малая энергия импульсного сигнала; большое значение шага по частоте между соседними точками при расчёте кривой АЧХ.
Высокое сопротивление обмотки при малой энергии зондирующего импульса ведёт к сильному затуханию тестового сигнала и низкой амплитуде получаемой АЧХ (см. рисунок 4). Разность частот между соседними точками, применяемая при вычислении
101
АЧХ, равна 6,1 кГц. Такое сравнительно большое, значение шага по частоте приводит к потере части резонансов с малой полушириной. Исходя из вышесказанного, применение импульсного подхода МЧА для диагностики состояния первичных обмоток ТН типа НКФ представляется нецелесообразным.
А-(/),о.е.
0.003
0,0005
о
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
/, кГц
Рис. 4. АЧХ первичной обмотки НКФ-110, полученные при импульсном подходе: а -без дефектов, б - после снятия фарфоровой рубашки, в - замыкание двух слоёв, г -
замыкание трёх слоёв
Применение частотного подхода МЧА лишено вышеописанных недостатков, что подтверждается сравнением амплитуд АЧХ, а также сравнительно низким шагом по частоте, удовлетворяющим требованиям стандарта ВЫТ 911-2004. Амплитудно -
102
частотные характеристики, полученные с помощью частотного подхода, приведены на рисунке 5.
Рис. 5. Сравнение амплитудно-частотных характеристик ТН: где а - бездефектная обмотка, б - замыкание двух слоёв, в - замыкание четырёх слоёв
Для более точной и наглядной интерпретации результатов измерений применялся спектральный анализ АЧХ с помощью формулы распределения Гаусса [6]. Данная процедура подразумевает под собой описание экспериментальной кривой АЧХ обмотки с помощью формулы распределения Гаусса:
-2( х- хп,-)2
п Л ( ' -• е
¿=1 п
щ 1П
(2)
где у - значение функции в точке х; хо/ - частота /-го резонанса,
103
кГц; Л/ - амплитуда /-го резонанса, о.е.; п - число резонансов в кривой; Wг - полуширина /-го резонанса, кГц.
В данном случае формула описания экспериментальной АЧХ состоит из девяти слагаемых, что говорит о наличии девяти основных резонансов в исходной кривой. В графическом виде это отражено в виде линейчатого спектра на рисунке 6.
О 10 20 30 40 50
/, кГц
Рис. 6. Сравнение кривой экспериментальной АЧХ и распределения Гаусса где а - экспериментальная АЧХ, б - распределение Гаусса, в - линейчатый спектр
Замена АЧХ распределением Гаусса позволяет избежать сравнительного анализа двумерных кривых и перейти к анализу параметров линейчатого спектра, имеющего конечное число анализируемых частот. В итоге, анализ сводится к сравнению численных значений частот и амплитуд резонансов. Аналогичным образом, например, проводится сравнение значений омического сопротивления обмоток силовых трансформаторов.
104
Спектральный анализ не только упрощает процедуру анализа, но и позволяет паспортизировать эталонные кривые АЧХ обмотки ТН, получаемые при первичном обследовании. К первичному могут быть отнесены обследования, проводимые при приёмо-сдаточных испытаниях или после капитального ремонта. Результатом такого спектрального анализа является таблица, содержащая данные о количестве резонансов, их частотах, амплитудах и полуширинах.
Ниже приводятся результаты спектрального анализа кривых АЧХ, полученных при трёх экспериментах: для бездефектной обмотки, а также для обмотки с замыканием двух и четырёх внешних слоёв. В таблице 2 приведены численные значения частот и амплитуд резонансов, а также значения относительного изменения частот резонансов.
Таблица 2. Таблица резонансов распределения Гаусса
№ резонанса Обмотка без дефектов Замыкание двух слоёв обмотки Замыкание четырёх слоёв обмотки Относительное изменение частоты резонанса, %
Г, кГц ампли -туда Г, кГц амплитуда Г, кГц амплитуда При замыкании двух слоёв обмотки При замыкании четырёх слоёв обмотки
1 2 4 5 6 7 9
1 5 0.55 7 0.18 7 0.45 40% 40%
2 8.5 0.29 10.5 0.388 10.6 0.49 23.5% 24,7%
3 12.1 0.19 17 0.12 17 0.62 36% 36%
4 16 0.45 19 0.7 21.2 0.67 18.75% 32,5%
5 19 0.3 21 0.1 25 0.37 10.5% 31,57%
6 27 0.43 27.5 0.38 29 0.57 1.85% 7.4%
7 33.5 0.45 33 0.46 34 0.68 -1.5% 1,5%
8 37 1 37.1 0.83 37.2 1 0.27% 0.54%
9 49.5 0.242 49 0.2744 49.3 0.36 -1% -0.4%
Вычисление относительных значений в столбце №8 производилось между столбцами №2 и №4, вычисление относительных значений в столбце №9 производилось между столбцами №4 и №6. Частоты резонансов для каждой АЧХ выбирались на основе вычисления её второй производной.
105
На рис. 7 изображены резонансы линейчатого спектра, собранные в девять групп. В каждой группе находится по три резонанса, соответственно количеству экспериментов. Над каждой «линейкой» резонанса приведено значение его частоты.
Рис. 7. Изменение частот резонансов АЧХ первичной обмотки ТН при замыкании двух и четырёх слоёв где, а - АЧХ обмотки без дефектов
Анализируя данные табл. 2 и рис. 7 следует отметить, что замыкание двух внешних слоёв обмотки приводит к увеличению частот резонансов №1, 2, 3, 4, 5. Замыкание четырёх внешних слоёв обмотки приводит к увеличению частот резонанса №4, 5, 6. Частоты резонансов №7, 8 и 9 при рассматриваемых дефектах обмотки изменяются несущественно, что говорит о том, что данные резонансы соответствуют другим частям обмотки.
Важным представляется тот факт, что с увеличением глубины замыкания последовательно увеличивается и количество резо-
106
нансов, у которых изменяется частота. При этом замыкание двух внешних слоёв обмотки качественно характеризуется увеличением частот резонансов №1 и №2, а замыкание четырёх внешних слоёв обмотки - увеличением частоты резонанса №6.
4. Методика обнаружения дефектов обмотки
Конечным результатом настоящего исследования является предлагаемая ниже методика обнаружения дефектов первичной обмотки ТН типа НКФ. Основные положения методики заключаются в следующем:
1. Отключить ТН после обнаружения факта воздействия аварийных режимов работы.
2. Провести измерения омического сопротивления постоянному току первичной обмотки ТН типа НКФ. Измерения необходимо проводить на отключенном оборудовании сразу после воздействия аварийных режимов работы.
3. Измерения необходимо проводить с помощью моста постоянного тока для обеспечения максимальной точности.
4. В процессе измерения фиксировать температуру обмотки ТН, результаты замеров приводить к температуре первичного измерения.
5. Вычислить относительное отклонение значения первичного и текущего сопротивления обмотки в процентах.
6. Измерить АЧХ обмотки, сравнить частоты резонансов текущей АЧХ с частотами резонансов АЧХ, полученной при первичном измерении.
7. Сравнение частот резонансов необходимо проводить на основе результатов спектрального анализа полученных АЧХ.
8. В случае уменьшения сопротивления более, чем на 0,2%, при одновременном увеличении частот не менее двух резонансов более, чем на 10%, делается вывод о высокой вероятности наличия виткового замыкания первичной обмотки.
107
Выводы
1. Измерительные трансформаторы напряжения - важный элемент электрической сети, обеспечивающий устойчивую работу релейной защиты и автоматики, а также приборов учёта. Надёжная работа трансформаторов напряжения определяет надёжность электроснабжения потребителей.
2. Трансформаторы напряжения подвержены влиянию ферро-резонанса, способного приводить к серьезным повреждениям, несущим угрозу жизни и здоровья персонала, эксплуатирующего электроустановку, а также угрозу возникновения пожара.
3. Изучение нормативной документации показало недостаточную разработанность методов по определению дефектов обмоток трансформаторов напряжения.
4. Для выявления дефектов на ранней стадии развития требуются высокочувствительные методы диагностики. Для подтверждения результатов измерения необходимо одновременное использование нескольких таких методов.
5. Авторами предлагается оригинальная методика обнаружения дефектов в первичной обмотке измерительных трансформаторов напряжения типа НКФ, возникающих вследствие феррорезонанса. Методика основана на совместном использовании метода частотного анализа и метода измерения сопротивления постоянному току.
Источники
1. Бавин Б. Н. Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи. М., "Энергия". 1967. 104 с.
2. РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования».
3. ГОСТ 1983-2001 «Трансформаторы напряжения. Общие технические условия».
4. ГОСТ 3484.1 -88 «Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний».
5. Ндайизейе Мартин, Усачев А.Е. О методе контроля состояния обмоток измерительного трансформатора напряжения НКФ-110. Материалы докладов Х VII аспирантско-магистерского научного семинара посвященного дню энергетика, 4-6 декабря 2013, Т. 1, С. 28-29.
6. Ильдарханов Р.Г., Усачев А.Е. Контроль состояния обмоток силовых трансформато-
108
ров путем спектрального анализа передаточных функций // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 3 -4. С. 38-47.
Ndayizeye Martin, Ildarkhanov R.G., Usachev A.E., Ildarkhanov G.G.
CONDITION'S DIAGNOSIS OF WINDING VOLTAGE TRANSFORMER TYPE NKF-110
This paper describes the methodic used for detecting failures in the primary winding voltage transformer type NKF-110 arising from ferroresonance effect. The technique is based on the combined usage of frequency response analysis method and resistance measurement method with direct current.
Keywords: voltage measurement transformer, winding failure, ferroresonance effect, Frequency Response Analysis method, amplitude-frequency characteristics.
109
