CC BY
170
УДК 621.311
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ СИСТЕМ МОРСКОГО ПОРТА
Чернова А.И., к.т.н., доцент, кафедра «Радиоэлектроника», ФГБОУВПО «ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» Халезин А.А., аспирант, кафедра «Радиоэлектроника», ФГБОУ ВПО «ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»
В статье рассматривается методика оценки фактически сработанного ресурса силового маслонаполненного трансформатора под действием теплового фактора в условиях эксплуатации на предприятиях морского транспорта. Получена зависимость сработанного ресурса трансформатора для различных сроков нормальной эксплуатации и гарантированного срока службы.
Ключевые слова: силовые трансформаторы, повреждаемость, надежность работы, срок службы, проблемы эксплуатации, тепловой фактор.
FUNCTIONAL RELIABILITY OF POWER TRANSFORMERS IN ELECTRIC
SEAPORT SYSTEMS
Chernova A., Ph.D., assistant professor, Radiotronics chair, FSBEIHPE «Admiral Ushakov Maritime University» Halezin A., the post-graduate student, Radiotronics chair, FSBEI HPE «Admiral Ushakov Maritime University»
In article the technique of an assessment of actually worked resource of the power oil-filled transformer under the influence of a thermal factor under operating conditions at the enterprises of sea transport is considered. Dependence of the worked transformer resource for various terms of normal operation and the guaranteed service life is received.
Keywords: power transformers, damageability, operation reliability, service life, operation problems, temperature factor
Новороссийский морской торговый порт (ОАО «НМТП») - важнейший транспортный узел Юга России. По данным Ассоциации российских морских портов является пятым в Европе по объему обработки грузов. ОАО «НМТП» обрабатывает около 20% от общего объема грузов, экспортируемых и импортируемых через морские порты России. Электроснабжение ОАО «НМТП» осуществляется от четырех независимых источников электроэнергии. На территории порта распределение электроэнергии осуществляется по многокилометровым кабельным линиям к трансформаторным подстанциям. Суммарная полная мощность трансформаторов, находящихся на балансе ОАО «НМТП», составляет 122,15 МВА.
Рис.1. Фрагмент схемы электроснабжения Широкого пирса №2
Развитие морского порта и внедрение инновационных технологий поставило задачу повышения качества и эксплуатационной надежности электрических сетей и используемых электрических аппаратов. В первую очередь это связано с внедрением современных подъемно-транспортных средств повышенной мощности. Во-вторых, с дальнейшим совершенствованием портовой инфраструктуры. В свою очередь возникла проблемная ситуация с согласованием имеющихся в наличии электрических ресурсов их надежности и качества с требованиями инновационного процесса.
На современном этапе в ОАО «НМТП» характерна тенденция постоянного увеличения доли силовых трансформаторов, выработавших не только назначенный, но и парковый ресурс, при этом темпы их замены настолько малы, что процесс старения парка силовых трансформаторов практически не снижает своего движения. Так, для трансформаторов ТМГ-1000/10-0,4 установлен срок службы 25 лет, на сегодняшний день полностью этот ресурс израсходован у 15% парка оборудования.
Рис. 2. Распределение срока эксплуатации силовых трансформаторов ОАО «НМТП»
126 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №2 2015 |
Быстрая замена электрооборудования в процессе эксплуатациипрактически невозможна из-за сложности системы и требований непрерывной работы.Следует отметить, что энергосистемы предприятий морского транспорта в настоящее время представляют собой большие системы, имеющие сложную иерархическую структуру, и выход из стоя одного з элементов сети приводит к простою всего оборудования. Кроме этого, существующие темпы ввода новых энергетических мощностей часто не успевают за темпами роста энергопотребления. В этих условиях совершенствование и оптимизация системы технического обслуживания эксплуатируемого электрооборудования становится основной задачей в поддержании функциональной надежности энергосистемы морского порта в целом.
Наиболее массовыми элементами электроэнергетической сети являются силовые трансформаторы, основными видами отказовкоторых в процессе эксплуатации являются [1]:
- отключения, вызванные повреждениями обмоток, причинами которых являются внешние перенапряжения в сети и короткие замыкания;
- отключения, вызванные повреждениями переключателей и регулировочных устройств, перекрытиями вводов, в основном, у трансформаторов с регулированием под нагрузкой;
- отключения, вызванные повреждениями смежных элементов;
- отключения, вызванные ложными действиями защиты и ошибками персонала.
Из анализа причин отказов и неисправностей силовых маслонаполненных трансформаторов выявлено, что процесс старения и износа наиболее проявляется в бумажной изоляции обмоток и масле, надежность которых и определяет ресурс всего трансформатора. На электрическую прочность трансформаторной изоляции оказывают влияние такие эксплуатационные факторы, как температура и скорость движения масла, приводящие к образованию пузырьков газа и эмульгированной воды в масле, повышению влажности масла и наличию примесей, снижению механической прочности изоляции.
Основным количественным показателем надежности силовых трансформаторов в процессе эксплуатации, в том числе на предприятиях морского транспорта, является ресурс, определяемый как суммарная наработка от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние [1,2]. Для нормальных условий эксплуатации значение ресурса устанавливается равным значению,указанному в техническом паспорте. Наработка трансформаторов обычно измеряется во временных единицах.Действительный же срок службы трансформатора в портовых условиях эксплуатации в значительной степени зависит от исключительных воздействий, таких как перенапряжения, короткие замыкания в сети и аварийные перегрузки. Так, короткие замыкания в энергосистеме ОАО «НМТП» происходят 3-4 раза в год. С увеличением тока нагрузки и нарушением нормального режима эксплуатации и с ростом температуры возникает опасность преждевременного отказа, что может явиться следствием общего ухудшения состояния трансформатора в течение многих лет. Например, полная загрузка трансформатора может наступить при использовании лишь 80% номинальной мощности, указанной в его паспортных данных. Длительная работа трансформатора с предельным значением температуры сокращает срок его службы в десятки раз.
Несмотря на то, что силовой трансформатор конструктивно является одним из самых надежных элементов электрической цепи, расчет и прогнозирование остаточного ресурса трансформаторного оборудования энергосистемы морского порта имеет большое практическое значение для продления его жизненного цикла, выбора очередности и временной последовательности переоснащения парка оборудования и организации системы технической эксплуатации в реальных условиях функционирования. Это связано с тем, что восстановление работоспособности в случае выхода трансформатора из строя в условиях эксплуатации на предприятиях морского транспорта требует больших затрат времени (5-7 суток), а его замена - больших экономических затрат.
В литературных источниках приведены методики оценки остаточного ресурса изоляции трансформаторов и примеры их применения[2,3], использование которых вызывает существенные затруднения, связанные с необходимостью определения степени полимеризации бумажной изоляции или проведением хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле. Такие виды диагностики состояния трансформаторов требуют измерения и вычисления более 50 показателей и проводятся раз в пять лет.
Для оперативного учета влияния указанных выше факторов на значение фактически сработанного ресурсаэнергооборудования в единой математической модели можно использовать принцип суперпозиции [2,3]. При работе изоляции электрооборудования в реальных условиях на нее оказывают действие К различных эксплуатационных факторов, характеризующихся величиной X. Допустим, что на изоляцию действует некоторый фактор X, увеличение которого на величину ДХприводит к уменьшению ресурса изоляции в п раз. Тогда можно записать следующие выражения для вычисления фактического ресурса изоляции в зависимости от изменения величины X:
-X - X0,.)
Я = К,п кх'
^ , (1)
где К — фактический ресурс изоляции при постоянной величине фактора Х=сотР; X — нормативное значение фактора X; DX=const — абсолютное отклонение фактора X.
Зависимость (1) показывает фактически сработанный ресурс изоляции на интервале наработки в объеме нормативного установленного ресурса при постоянной величине фактора X=const. Для удобства дальнейших вычислений разделим обе части выражения (1) на величину Я а показатель степени в этом же выражении — на X|>|,и примемп=е, после чего получим выражение для определения фактического ресурса изоляции в относительных единицах:
-(X* -1)
R = e
(2)
где R— фактический ресурс изоляции в относительных единицах при постоянной величине фактора X' ; X' - относительное значение
AX*
'-ого фактора или кратность '-ого фактора; ' - относительно отклонение '-ого фактора.
Основание степени в выражении (2) одинаково для оценки остаточного ресурса при воздействии любого из дестабилизирующих
факторов и равно е, то выражение для определения относительного фактического ресурса изоляции можно записать в виде:
f -(X*-1)
D* f AX*
R = e = ' . (3)
Выражение (3) позволяет определить фактический выработанный ресурс силового трансформатора с учетом воздействия основных эксплуатационных факторов:
- теплового (связанного с нагревом изоляции);
- электрического (связанного с изменением напряженности электрического поля);
- механического (связанного с механическими повреждениями изоляции).
TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №2 2015 | 127
Я0*
Фактический ресурс изоляции за наработку может быть пределен по формуле[2]:
^ Ак' ^ А У*
. (4)
/=1 О
где ]=1...Ы — количество интервалов, на которых наблюдаются ненормативные условия эксплуатации изоляции оборудования;
' - значения теплового, электрического и механического факторов на'-ом интервале
X. . X. .
- длина '-ого интервала наработки 'Т1 , , наработки.
При этом величины, входящие в (4), могут быть определены, как параметры, характеризующие интенсивность эксплуатации и текущие условия эксплуатации. Подставив в (3) зависимость температуры наиболее нагретой точки от величины потребляемого тока, а также зависимость напряжения сжатия от осевых усилий при к.з., можно получить формулу, позволяющую рассчитать технический ресурс, вырабатываемый силовым трансформатором в процессе эксплуатации при воздействии основных эксплуатационных факторов.
Скорость износа изоляции определяется температурой наиболее нагретой точки, эталонное значение которой для трансформаторов типа ТМГ-1000/10/0.4-У1 с классом изоляции А, соответствующих требованиям ГОСТ 11677, при номинальной нагрузке к нормальной температуре охлаждающей среды принимается равным 95°С. В настоящем стандарте относительная скорость износа при этой температуре принимается равной единице. Сокращение срока службы силового трансформатора, вызванное месячной, суточной или часовой нагрузкой при температуре наиболее нагретой точки 95°С, выражается «нормальными» месяцем, сутками или часами. Принято, что при увеличении температуры изоляции на каждые 6°С (документ 1ЕС 60076-7) и 70С (Россия) срок службы трансформатора уменьшается в 2 раза. Величина равная 6°С является абсолютным отклонением фактора температуры Лв, но для основания степени 2. Пересчитаем его для основания степени е и получим величину Лв =8,656°С. Относительное отклонение Лв =0,088 о. е.
Рис. З.Сокращение срока службы силового трансформатора при температуре наиболее нагретой точки 95°С при Лв=60С и Лв=7°С По формуле:
«т -(0* -1)
ы^Ае -1)
Яф = 1 + ^
определим выработанный ресурс при воздействии теплового фактора на изоляцию маслонаполненного силового трансформатора при различном соотношении длительностей тепловых режимов работы трансформатора. Рассмотрим случай, когда температура наиболее нагретой точки принимает значения 95°С, 105°С и 130°С, а соотношения длительности режимов составляют: х:3х/4:х/4, х:х/2:х/2, х:5х/6:х/6.
128 ТКАШРОКТ БШШЕББ Ш КШБТА | №2 2015 |
Я
0.2
02
0.4
0.6
Рис. 4. Зависимость выработанного ресурса в относительных единицах при воздействии теплового фактора на изоляцию маслонаполненного силового трансформатора от процента времени работы в нормальном режиме функционирования
Рис. 5. Зависимость выработанного ресурса (Д, лет) при воздействии теплового фактора на изоляцию маслонаполненного силового трансформатора от длительности работы в нормальном режиме (х, о.е.) и назначенного ресурса (ДО, лет)
Учитывая сокращение назначенного ресурса трансформаторов в процессе эксплуатации в условия агрессивной среды морского порта и наличия перегрузок сети, для повышения уровня их надежности возникает необходимость организации эффективной системы технического обслуживания с проведением комплексного диагностического обследования, периодичность которого напрямую должна зависеть от фактически сработанного ресурса и назначенного срока службы.Возникает необходимость перехода от стратегии технического обслуживаний по наработке, основанной на предупредительных плановых мероприятиях, к стратегии технического обслуживания по фактическому состоянию электрооборудования. Рассмотренная модель позволяет выполнить градацию силовых трансформаторов электроэнергетической системы ОАО «НМТП» по степени выработанного ресурса, и провести оптимизацию процесса технического обслуживания и восстановления силами предприятия и с привлечением сторонних обслуживающих организаций, что позволит продлить время эксплуатации трансформаторов с частично или полностью израсходованным ресурсом и снизит эксплуатационные расходы.
Литература:
1. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоатомиздат, 2004. - 616 с.
2. Назарычев А.Н., Андреев Д.А., Таджи баев А.И. Справочник инженера по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электрических станций и сетей. Централизованное и автономное электроснабжение объектов, цехов, предприятий. Учебно-практическое пособие. М.: Инфра-Инженерия, 2006. - 928 с.
3. Назарычев А.Н., Андреев Д.А. Методы и математические модели комплексной оценки технического состояния электрооборудования / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2005.
4. Таджибаев А.И., Монастырский А.Е. Диагностика маслонаполненного электрооборудования электрических станций и подстанций. Изд-во СПбГТУ, 1997. - 88 с., ил.
ТКАШРОКТ БШШБББ Ш КШБТА | №2 2015 | 129
