CC BY
571
УДК 621.311
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
И.В. ПРАХОВ, к.т.н., доцент кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
А.В. ПУТЕНИХИНА, магистр кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
A.В. МЕЛЬНИКОВ, магистр кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
Н.А. МОЛЧАНОВ, магистр кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
B.М. ПРИВАЛОВА, студент кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий
Филиал ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной техниче-ский университет в г. Салавате (Россия, 453250, Республика Башкортостан, г. Салават, ул. Губкина, д. 22а/67). E-mail: pri-wan@yandex.ru
В работе проведен анализ достоинств и недостатков современных методов оценки технического состояния высоковольтного трансформатора. Показана перспективность применения хромато-графического метода силовых высоковольтных трансформаторов.
Ключевые слова: трансформатор, обмотка, магнитопровод, повреждение, масло, диагностика, техническое состояние, изоляция.
Основными задачами диагностики трансформаторного оборудования являются обнаружение повреждений и дефектов, оценка функциональной исправности оборудования, определение возможности продления срока службы без проведения ремонта, определение объема ремонтных работ при его необходимости, оценка остаточного срока службы и рекомендации по продлению срока службы. Применение диагностических методов дает возможность оценить состояние целых трансформаторных парков, позволяя тем самым производить ранжирование трансформаторов по состоянию, что приводит к снижению затрат на эксплуатацию и ремонт. На рис. 1 представлены основные элементы, из которых состоит силовой трансформатор. Отказ трансформатора может произойти из-за неисправности любого из них.
Техническое диагностирование отдельных элементов может осуществляться как без разборки, так и с частичной или полной разборкой трансформатора. Диагностика с разборкой предусматривает применение методов и средств неразрушающего и измерительного контроля параметров отдельных узлов и деталей. Для оценки технического состояния без их разборки используются диагностические параметры: температура, давление, величина токов утечки, уровень шума, амплитуда вибрации, виброскорость, виброускорение и др. [1]. На рис. 2 представлена классификация основных повреждений силового трансформатора.
При наличии дефекта в межлистовой изоляции магни-топровода возможны перегревы, вызываемые вихревыми токами или токами в короткозамкнутых контурах, образованных в результате нарушения изоляции массивных деталей остова от активной стали. В случае конденсации
I Рис. 1. Основные элементы силового трансформатора
I Рис. 2. Основные виды повреждений силового трансформатора
Основные виды повреждений силового трансформатора
Электрические повреждения
Повреждение межлистовой изоляции магнитопровода
Ослабление прессовки магнитопровода Обрыв обмотки Трещины в изоляции обмотки
Витковые замыкания обмотки
Загрязнения и увлажнение изоляции обмотки
Загрязнения и увлажнение —изоляции обмотки трансформаторного масла Повреждение изоляции кабельных вводов
Механические повреждения
Коррозия стали магнитопровода Нарушение герметичности системы охлаждения
Поломка вентилятора
— или насоса системы охлаждения
— Повреждение корпуса Повреждение изоляции обмотки
Повреждение изоляции кабельных вводов Повреждение магнитопровода
— Пропуск уплотнений
влаги на поверхность масла она попадает на верхнее ярмо, проникает между пластинами активной стали в виде водомасляной эмульсии, разрушает межлистовую изоляцию и вызывает коррозию стали.
Наиболее характерным видом повреждений в обмотках является вит-ковое замыкание. Причиной его может быть разрушение изоляции из-за старения вследствие ее естественного износа или из-за продолжительных перегрузок трансформатора при недостаточном охлаждении обмоток. Нарушение изоляции витков может произойти также вследствие механических повреждений при коротких замыканиях. Признаками витковых замыканий являются срабатывание газовой защиты, повышенный нагрев, различие в сопротивлениях фаз постоянному току и т.д [1].
Методы неразрушающего контроля
Для выявления дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металлических конструктивных элементов силового трансформатора используются магнитные, электрические, вихретоковые, тепловые, оптические, радиационные и акустические методы неразрушающего контроля, а также метод проникающих веществ [1]. В табл. 1 представлены ограничения в применении этих методов.
Наиболее распростра-ненными методами для выявления нарушений герметичности корпуса трансформатора, согласно [1] и табл. 1, являются акустический, магнитный и оптический методы.
Нарушение герметичности системы охлаждения контролируется методом течеискания. Метод течеискания основан на проникновении газообразных и жидких веществ через сквозные дефекты с целью установления степени герметичности изделий, которая определяется потоком газа, расходом или наличием истечения жидкости, падением давления за единицу времени, размером пятна и пр.
Тепловизионный метод диагностики силовых трансформаторов Эффективность и информативность этого вида оценки состояния оборудования оказывается особенно высокой, если тепловизионный контроль включается в комплексный процесс диагностики силовых трансформаторов, проводимой на базе экспертной системы [2].
Таблица 1
Оценка методов неразрушающего контроля для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металлических конструктивных элементов силового трансформатора
Метод Типы обнаруживаемых дефектов Минимальные размеры обнаруживаемых дефектов Требования к объекту контроля
Акустический Внутренние Эквивалентная Очистка
трещины, площадь дефекта поверхности
раковины, более 1 мм2, от грязи,
неметаллические эквивалентная глубина отслаивающейся
включения, дефекта более 3 % окалины, обработка
расслоения, от толщины объекта поверхности
непровары контроля
Радиационный Трещины, Раскрытие дефекта Двусторонний
раковины, с чувствительностью доступ, отсутствие
пористость, (отношение наружных
непровары, протяженности дефектов,
шлаковые дефекта в направлении превышающих
инородные просвечивания к чувствительность
включения, толщине стенки контроля,
расслоения детали) 1-5 % радиационная
безопасность
Магнитный
Поверхностные и
подповерхностные
трещины,
раковины,
непровары,
расслоения,
волосовины,
включения
Раскрытие дефекта на глубине до 10 мм с минимальным размером более 0,1 мм
Ферромагнитные металлы, чистота обработки поверхности
Оптический Поверхностные Раскрытие дефекта Чистота обработки
трещины, размером более поверхности
царапины, 0,01 мм
коррозийные пятна,
механические
повреждения
Вихретоковый
Поверхностные и
подповерхностные
трещины,
раковины,
непровары,
расслоения,
волосовины,
включения
Раскрытие дефекта глубиной более 0,1 мм для обнаружения более грубого дефекта - до 8-10 мм
Чистота обработки поверхности
Электрический Поверхностные Раскрытие дефекта Чистота обработки
и поверхностные глубиной трещины поверхности
трещины, 0,5- 100 мм и более
раковины,
непровары,
включения
Тепловой Поверхностные и Обнаружение дефектов Теплопроводные
подповерхностные размером 0,1-100 мм материалы трещины, и более
раковины, непровары, расслоения, волосовины, включения
Капиллярный Поверхностные Раскрытие дефекта Чистота обработки
открытые более 1 мкм, поверхности
трещины, поры, протяженность более
коррозионные 3-5 мм
поражения
При тепловизионной съемке силовых трансформаторов проверяются: вводы, баки, система охлаждения (радиаторы, вентиляторы, маслонасосы), термосифонные фильтры, контактные соединения. Путем теплови-зионного обследования для силовых трансформаторов достаточно легко и точно можно обнаружить следующие дефекты: нагревы внутренних контактных соединений обмоток с выводами трансформатора; нарушение в работе систем охлаждения (вентиляторов, маслонасосов, циркуляции масла в радиаторах) и регенерации масла (термосифонных фильтров).
Тепловизионное обследование позволяет безразборным способом определить: места болтового крепления колокола бака; уровень масла в расширительном баке, выхлопной трубе и во вводах.
Основными этапами тепловизионного метода диагностики силовых трансформаторов являются: полевые исследования; передача полученной информации из тепловизора в персональный компьютер; структурирование термограмм, организация их хранения в специализированных базах; предварительная обработка результатов и их визуальный анализ; математическая обработка и сопоставление результатов с учетом реальных физических процессов в трансформаторе, автоматизированное формирование рекомендаций; комплексная обработка полученной информации [3, 4].
Контроль изоляции трансформаторов, вводов трансформаторов при рабочем напряжении по характеристикам частичных разрядов
Измерение частичных разрядов используется для контроля состояния высоковольтной изоляции трансформаторов, вводов при рабочем напряжении в реальных эксплуатационных условиях подстанции. Системы диагностики на основании измерения частичных разрядов позволяют обнаруживать дефекты изоляции на самой ранней стадии их развития, определять тип, место расположения дефекта и степень его опасности. Система диагностики высоковольтной изоляции представляет с собой компьютерную систему сбора и обработки информации, поступающей от электрических, акустических и электромагнитных датчиков частичных разрядов, размещенных на контролируемом объекте. Наличие трех каналов регистрации сигналов частичных разрядов (электрического, электромагнитного и акустического) обеспечивает надежное обнаружение дефектов изоляции независимо от их локализации и типа [1].
Определение влаги в изоляции путем измерения частотной зависимости tg дельта
Вследствие замедленного процесса диффузии влаги в изоляции трансформатора большая масса влаги по мере проникновения из окружающего воздуха накапливается, как правило, в тонкой изоляционной структуре, преимущественно барьерной изоляции. Неравномерное распределение влаги в изоляционных деталях сохраняется в течение всего периода эксплуатации трансформатора. Влага, которая выделяется при старении, распределяется неравномерно, и происходит ее миграция из участков с наибольшим износом в зоны с самыми низкими значениями температуры.
Приведенные выше причины объясняют сложность диагностики степени увлажнения и необходимость применения методов, которые позволяют проводить надежную оценку увлажнения изоляции [3].
Новый метод, разработанный фирмой АВВ, представляет собой дальнейшее развитие абсорбционных методов с использованием измерения тангенса угла диэлектрических потерь в широком частотном диапазоне. Основные задачи метода - измерение влажности целлюлозы и проводимости масла. Метод частотного анализа заключается в том, что от специального генератора на ввод обмотки (или в нейтраль) подается зондирующий сигнал (импульсный или синусоидальный, а с вводов других обмоток регистрируются отклики - реакции обмоток на воздействие зондирующего сигнала. Анализ результатов измерений частотного спектра должен производиться с учетом влияния заземления кабелей, которое проявляется особенно при высоких частотах и наличия масла [4].
Диагностика опрессовки активных элементов и механических деформаций обмоток трансформаторов
Методы ранней диагностики состояния высоковольтных масляных трансформаторов в рабочих режимах путем оценки состояния опрессовки активных элементов безразборным способом позволяют повысить надежность эксплуатации и снизить затраты на проведение ремонтных работ. Реальное техническое состояние опрессовки обмотки и магнитопровода может быть выяснено по замерам вибрации в определенных точках на наружной поверхности масляного бака трансформатора. Современная вибродиагностика включает в себя не только простое определение общего уровня механических колебаний, но и анализ спектров вибрации, формы волны колебаний, фазовых углов колебаний, спектров огибающей высокочастотной вибрации и т.д. Применение современных методов вибродиагностики позволяет получить информацию о дефектах на ранней стадии их развития [1].
Недостаточная электродинамическая стойкость обмоток трансформатора при протекании токов короткого замыкания, приводящая к механическим деформациям обмоток, является одной из основных причин аварийного выхода трансформатора из строя. Причиной недостаточной электродинамической стойкости обмоток трансформатора является старение и изменение физико-химических свойств изоляции. В настоящее время для диагностики механического состояния обмоток силовых трансформаторов наиболее широко приме-няются два метода: метод измерения сопротивления короткого замы-кания и более чувствительный метод - метод низковольтных импульсов или близкий к нему по сути метод частотного анализа. Суть метода низковольтных импульсов состоит в том, что от специального генератора на обмотки (или в нейтраль) расшинованного трансформатора подается прямоугольный зондирующий импульс низкого напряжения (100-500 В) и одновременно осциллографируются реакции обмоток на воздействие этого импульса - напряжения на измерительных сопротивлениях, подключенных к другим обмоткам. Сравнение по определенной методике нормограмм и дефектограмм позволяет оценить состояние обмоток трансформатора.
Хроматографический метод диагностики силовых трансформаторов
Одним из наиболее перспективных направлений в исследовании повреждений работающих трансформаторов является периодический анализ содержания растворенных в масле газов, определяемых хроматографическим методом. Хроматографический анализ позволяет: отслеживать развитие процессов в оборудовании, выявлять дефекты на ранней стадии их развития, не обнаруживаемые традиционными способами, определять предполагаемый характер дефекта и степень имеющегося повреждения, ориентироваться при определении места повреждения [5].
Для оценки состояния силовых трансформаторов используются следующие газы: водород (Н2), метан (СН4), этан (С2Н6), этилен (С2Н4), ацетилен (С2Н2), угарный газ (СО), углекислый газ (СО2). Кроме этого, всегда присутствуют кислород и азот, а их концентрация изменяется в зависимости от герметичности корпуса трансформатора, и могут
выделяться такие газы, как пропан, бутан, бутен и др., но их исследование в диагностических целях не получило широкого распространения.
Состояние оборудования оценивается сопоставлением полученных при анализе количественных данных с граничными значениями концентрации газов и по скорости роста концентрации газов в масле. Важно различать нормальные и чрезмерные объемы газа. Нормальное старение, или газовая генерация, изменяется в зависимости от конструкции трансформатора, нагрузки и типа изоляционных материалов.
Преимущество этого метода состоит в том, что образцы масла можно отобрать в любое время без вывода оборудования из работы.
Хроматографический анализ трансформаторного масла сегодня является одним из наиболее важных и эффективных диагностических методов, выявляющих широкий круг проблем оборудования, в том числе и на ранних стадиях развития.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баширов М.Г. Диагностика электрических сетей и электрооборудования промышленных предприятий: Учеб. пособие для вузов / М.Г. Баширов, В.Н. Шикунов. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. - 220 с.
2. Баширов М.Г. Электротехнологические установки и электротехнические системы нефтегазового комплекса / М.Г. Баширов, А.С. Хисматуллин // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование». - М.: Институт управления образованием Российской академии образования, 2015. - № 12. - С. 113.
3. Хисматуллин А.С. Новые методы охлаждения силовых масляных трансформаторов / А.С. Хисматуллин, И.М. Гареев // Фундаментальные и прикладные исследования в технических науках в условиях перехода предприятий на импортозамещение: проблемы и пути решения. - Уфа: УГНТУ, 2015. - С. 290-292.
4. Хисматуллин А.С. Эффективное охлаждение масляных трансформаторов / А.С. Хисматуллин, А.М. Янчурина, А.С. Климкович // Современные тенденции развития науки и технологий. - Белгород: Из-во «Индивидуальный предприниматель Ткачева Екатерина Петровна», 2015. - № 1-2. - С. 135-136.
5. Салиева Л.М. Хроматографический метод оценки технического состояния силовых и масляных трансформаторов / Л.М. Салиева, И.Ф. Зайнакова, И.Г. Хуснутдинова и др. // Экологические системы и приборы. - М.: Научтехлитиздат, 2015. - № 12. - С. 35-41.
METHODS OF AN ESTIMATION OF A TECHNICAL CONDITION OF THE HIGH-VOLTAGE TRANSFORMER
PRAKHOV I.V., Cand. Sci. (Tech.), docent of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises
PUTENIKHINA A.V., master of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises MELNIKOV A. V., master of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises MOLCHANOV N.A., master of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises PRIVALOVA V.M., student of the Department Electrical Equipment and Automation of Industrial Enterprises Branch Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (22А/67, Gubkin St., 453250, Salavat, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: priwan@yandex.ru
ABSTRACT
The paper analyzes the advantages and disadvantages of modern methods of technical condition assessment of highvoltage transformer. The prospects of the use of the chromatographic method of high-power transformers.
Keywords: the transformer, a winding, a magnetic circuit, a fault, oil, diagnostic, a technical condition, isolation.
REFERENCES
1. Bashirov M.G., Shikunov V.N. Diagnostika elektricheskikh setey i elektrooborudovaniya promyshlennykh predpriyatiy [Diagnostika of electric networks and an electric equipment of the industrial factories]. Ufa: USOTU Publ., 2004. 220 p.
2. Bashirov M.G., Hismatullin A.S. Electrotechnological installations and electrotechnical systems of an oil and gas complex. Khronikiob"edinennogo fonda elektronnykh resursovnauka Iobrazovanie, 2015, no. 12, p. 113. (In Russian).
3. Hismatullin A.S., Gareyev I.M. [New methods of cooling of power oil-immersed transformers]. Trudy "Fundamental'nye i prikladnye issledovaniya vtekhnicheskikh naukakh v usloviyakh perekhoda predpriyatiy na importozameshchenie: problem i puti resheniya" [Proc. "Fundamental and applied research in technical sciences in the transition to import substitution enterprises: problems and solutions"]. Ufa, 2015, pp. 290-292.
4. Hismatullin A.S., Yanchurina A.M, Klimkovich A.S. Efficient cooling oil transformers. Sovremennyye tendentsiirazvitiya nauki i tekhnologiy, 2015, no. 1-2, pp. 135-136. (In Russian).
5. Salieva L.M., Zaynakova I.F., Khusnutdinova I.G., Bashirov M.G., Hismatullin A.S. Chromatographic method for assessing the technical condition of the power transformers and oil. Ekologicheskie sistemy i pribory, 2015, no. 12, pp. 35-41. (In Russian).
