CC BY
106
ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ
УДК 621.3.048
О критериях идентификации дефектов силовых трансформаторов по электрическим характеристикам частичных разрядов
Е. Г. Ермаков,
аспирант,
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
А. Е. Монастырский,
кандидат технических наук, заведующий лабораторией внутренней изоляции кафедры электроэнергетики, техники высоких напряжений
С. В. Шавловский,
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Определены основные виды дефектов, вызывающих повреждение изоляции силовых трансформаторов. Разработана методика проведения исследований данных дефектов в лабораторных условиях. Получены критерии идентификации дефектов силовых трансформаторов по характеристикам частичных разрядов.
Ключевые слова: трансформатор, изоляция, идентификация, дефект, частичный разряд.
К началу XXI века более половины парка силовых трансформаторов эксплуатировались с превышением нормативного ресурса. Несмотря на постоянное увеличение средств, выделяемых в докризисные годы на его обновление, на сегодняшний день существенно изменить эту ситуацию не удалось [1]. С другой стороны, за счет эксплуатации трансформаторов при температурах ниже номинальной их физический ресурс оказывается выше нормативного, и замена трансформатора по истечении его нормативного ресурса бывает экономически нецелесообразной. Однако для обеспечения требуемого уровня надежности трансформаторов с большим сроком службы особое внимание должно быть уделено контролю их технического состояния.
Состояние и реальный срок службы трансформатора в большой степени определяются состоянием его бумажно-масляной изоляции, образование и развитие дефектов в которой сопровождаются развитием частичных разрядов (ЧР). Регистрация ЧР электрическими методами позволяет без запаздывания не только выявить дефект, но и определить его вид и степень развития. Однако успешной реализации диагностических возможностей данного метода препятствует отсутствие критериев идентификации дефектов по характеристикам ЧР, что говорит о необходимости проведения соответствующих исследований.
К основным видам дефектов, развивающихся в изоляции трансформаторов, относятся пробой масляного канала, разряды в масляном клине, ползущий разряд, скользящий разряд. На первом этапе исследования проводились на модельных образцах изоляции в лабораторных условиях.
Модель разряда в масляном канале представляла собой два скрещенных металлических цилиндра с намотанной на них бумагой толщиной 1 мм. Зазор между бумажными покрытиями составлял 1 мм. Модель разряда в масляном клине аналогична, но с отсутствием масляного канала. Для моделирования скользящего разряда использовались два плоских круглых электрода диаметрами 114 и 40 мм с проложенной между ними картонной пластиной. Ползущий разряд исследовался с плоскими электродами одинакового диаметра (114 мм), но картонный барьер устанавливался под углом к поверхности электродов, а для зарождения ползущего разряда имелась инициирующая игла. Модели устанавливались в испытательной камере, обеспечивающей отсутствие внешних разрядов с уровнем выше 50 пКл. Перед проведением экспериментов изоляционные конструкции помещались на 24 часа в термостат для сушки целлюлозной изоляции. Заливка моделей маслом производилась под вакуумом, что позволяло практически исключить возможность появления пузырьков воздуха в образцах. Затем на испытательную камеру от высоковольтной установки подавалось напряжение 50 Гц, значение которого плавно поднималось до появления ЧР с уровнем кажущегося заряда выше 50 пКл. После регистрации характеристик частичных разрядов на данном уровне напряжение выдерживалось 10 минут после чего производилась повторная регистрация. В случае если развитие дефекта на этом уровне не выявлялось, напряжение поднималось ступенчато по 2 кВ. Эта процедура повторялась либо до появления постоянно повторяющихся мощных ЧР, либо до выявления развития дефекта. После этого без изменения напряжения 1 раз
Щ5Ш5М2М0:
= 36
Энергобезопасность и энергосбережение
в десять минут производился съем характеристик ЧР до пробоя образца. В ходе экспериментов при помощи прибора «СКИТ ЧР» происходила регистрация осциллограмм частичных разрядов, их фазовых диаграмм и амплитудных спектров. На основании полученных результатов выявлялись характерные особенности для данного вида дефекта. После пробоя модельного образца его целлюлозная изоляция изучалась на предмет выявления наглядных признаков дефекта исследуемого вида для подтверждения корректности полученных результатов.
В ходе проведения экспериментов на модели разряда в масляном канале выявлено, что дефект данного вида имеет три стадии развития. Первая стадия характеризуется появлением ЧР, не приводящих к необратимым изменениям в образце. Разряды развиваются в масляном канале при напряженностях, не достаточных для его полного перекрытия, и имеют кажущийся заряд не более 300 пКл и длительность фронта импульса порядка 10 нс.
Вторая стадия развития дефекта наступает при увеличении воздействующего на образцы напряжения. Появляются мощные ЧР, перекрывающие масляный канал и механически воздействующие на бумажную изоляцию образцов. Разряд как игла прокалывает бумагу. В разы по сравнению с первой стадией возрастает кажущийся заряд ЧР, характерная длительность фронта импульса ЧР возрастает до 15-20 нс (рис. 1). Наиболее мощные разряды сопровождаются звуковым эффектом - щелчками.
1
"11
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
пКл 6400
4800
3200
1600
0
-1600
нс0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
а
Ччр, пКл 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
■1000 2000 3000
1-Исходный ЧР
2-Длинный ЧР
3-Короткие ЧР
t, нс
Рис. 1. Разряд в масляном канале.
Осциллограмма частичного разряда второй стадии
Вследствие длительного воздействия (60 мин и более) частичных разрядов второй стадии развития дефекта снижается электрическая прочность твердой изоляции. ЧР начинают развиваться не только в масле, но и в бумаге, и происходит резкий переход дефекта в заключительную третью стадию. Разряды начинают развиваться сложными каскадами: появляются так называемые «длинные» разряды (длительности фронта импульса составляет от сотен нс, до 1 мкс), на которые накладываются «короткие» ЧР второй стадии (рис. 2). Длительность каскада составляет в среднем от 5 до 10 мкс. Максимальный кажущийся заряд частичных разрядов достигает 8000 пКл. Очевидно, что «короткие» разряды в каскаде связаны с процессами в масле, а «длинные» - в целлюлозной изоляции, ослабленной воздействием «коротких». Несмотря на то, что «длинные» ЧР зачастую значительно уступают «коротким» по амплитуде кажущегося заряда, их появление говорит о глубоком развитии дефекта.
б
Рис. 2. Разряд в масляном канале, третья стадия:
а — осциллограмма каскада ЧР; б — разложение осциллограммы каскада ЧР на составляющие импульсы
Для всех стадий развития разрядов в масляном канале характерна треугольная форма фазовых диаграмм. Разряды с максимальным кажущимся зарядом появляются с наибольшей вероятностью в области экстремумов синусоиды воздействующего напряжения (5 с и 15 мс) со смещением вправо на 1-2 мс (на рис. 3 трендовыми линиями ограничены области, появление ЧР в которых наиболее вероятно). Амплитудные спектры на всех стадиях развития дефекта данного вида также имеют схожую между собой форму: наибольшая частота следования характерна для разрядов с минимальным кажущимся зарядом; с ростом заряда частота падает по кривой, напоминающей экспоненту.
В ходе проведения экспериментов на модели разряда в масляном клине выявлено, что начальная стадия развития ЧР в дефектах данного вида (аналогичная образцам масляного канала) практически отсутствует. Первая стадия определяется резким появлением постоянно следующих ЧР с опасным кажущимся зарядом (более 1000 пКл). Наиболее мощные разряды сопровождаются звуковым эффектом - щелчками. Разряды развиваются каскадами длительностью от 5 до 10 мкс, содержащими более 10 ЧР (рис. 4 а). Такие каскады представляет собой последовательность «коротких» (длительность фронта порядка 20 нс; рис. 4 б) и «длинных» (от 100 до 300 нс; рис. 4 в) разрядов. По мере развития дефекта доля «длинных» импульсов в каскаде возрастает. Наиболее вероятным представляется, что «короткие» импульсы связаны с перекрытием масляного клина, а «длинные» - с разрядными процессами в целлюлозе. При развитии дефекта данного вида «длинные» ЧР на
юшшш
пКл
4000 3000 2000 1000 0
-1000
мкс0
а
пКл
4000 3000 2000 1000 0
-1000
Рис. 3. Разряд в масляном канале. Фазовая диаграмма ЧР второй стадии
1
2.5 5
7.5
10 12.5 15
нс0 63 125 188 250
б
пКл 600 450 300 150 0
нс0 200 400 600 800
частоты следования и кажущегося заряда повторяется (на рис. 5 трендовыми линиями ограничены области, появление ЧР в которых наиболее вероятно). Амплитудные спектры на всех стадиях развития дефекта данного вида также имеют схожую между собой форму, аналогичную предыдущей модели.
17.5
Рис. 5. Разряд в масляном клине.
Фазовая диаграмма ЧР первой стадии
Вследствие продолжительного воздействия разрядов в масляном клине развитие дефекта переходит в заключительную вторую стадию, которая отличается от первой только повышением в несколько раз частоты следования ЧР, в связи с чем пробой образца под действием ЧР второй стадии происходит в течение очень короткого промежутка времени (до 5 минут).
В ходе проведения экспериментов на модели скользящего разряда выявлено, что начальная стадия развития ЧР в дефектах данного вида, как и в случае развития разряда в масляном клине, практически отсутствует. Появившиеся постоянно следующие «короткие» частичные разряды обладают особо опасным кажущимся зарядом (достигает 10 000 пКл и более) и длительностью фронта импульса 10-20 нс. Поскольку мощные ЧР следуют непрерывно, звуковой эффект, которым они сопровождаются, воспринимается как непрерывный треск, в который переходят отдельные щелчки. По мере развития дефекта наряду с одиночны-
пКл пКл
4000 0
-3000 -6000 -9000 -12000
-15000
мкс0
2.5
7.5
10
12.5
15
Рис. 4. Разряд в масляном клине, первая стадия:
а — осциллограмма каскада ЧР; б — осциллограмма «короткого» ЧР каскада; в — осциллограмма «длинного» ЧР каскада
порядок уступают «коротким» по амплитуде кажущегося заряда, но, несмотря на это, их появление свидетельствует о глубоком развитии дефекта.
Для всех стадий развития разрядов в масляном клине характерна фазовая диаграмма, по форме напоминающая два треугольника. Количество и кажущийся заряд частичных разрядов возрастают по мере приближения к амплитудному значению воздействующего синусоидального напряжения, однако в области перед экстремумами происходит некий провал, затем рост
Ччр, пКл 2000
0
-2000 -4000 -6000 -8000 10000 12000 14000 16000
нс
1-Исходный ЧР
2 Длинный ЧР
3-Короткие ЧР
б
Рис. 6. Скользящий разряд, глубокое развитие дефекта:
а — осциллограмма каскада ЧР; б — разложение осциллограммы ЧР каскада на исходные импульсы при наложении «коротких» разрядов на «длинные»
5
а
в
= 38
Энергобезопасность и энергосбережение
ми «короткими» ЧР (рис. 6 а), появляются каскады длительностью до 20 мкс и более, содержащие как «короткие» импульсы, так и наложение «коротких» импульсов на «длинные» (фронт порядка 100 нс) (рис. 6 б).
Развитие дефекта данного вида (от появления мощных ЧР до пробоя проходит порядка 30 минут) можно отследить по фазовым диаграммам. Оно происходит постепенно, ярко выраженных стадий развития не наблюдается. Сначала разряды с максимальным кажущимся зарядом появляются с наибольшей вероятностью в области экстремумов синусоиды воздействующего напряжения. Затем эта область постепенно расширяется и захватывает практически всю синусоиду (область обведена маркером на рис. 7 б). Также глубокому развитию дефекта данного вида соответствует появление на амплитудном спектре нескольких экстремумов: максимальное количество ЧР выпадает на разряды с минимальным кажущимся зарядом, два последующих экстремума соответствуют областям скопления мощных ЧР на положительном и отрицательном полупериоде воздействующего синусоидального напряжения (рис. 8).
отходящие от края верхнего электрода, происходит вынос потенциала электрода на их концы, и ЧР начинают развиваться уже с концов этих каналов, что увеличивает вероятность пробега скользящего разряда по поверхности картона на максимальную длину. С развитием проводящих каналов растет доля ЧР с максимальным кажущимся зарядом, что и наблюдается на фазовых диаграммах и амплитудных спектрах. По мере углубления проводящих каналов снижается электрическая прочность целлюлозы. Наряду с «короткими» появляются «длинные» (рис. 6 б).
В ходе проведения экспериментов на модели ползущего разряда выявлено, что начальная стадия развития ЧР в дефектах данного вида, как и в двух предыдущих случаях, практически отсутствует. Разряды начинают развиваться сложными каскадами: появляются мощные (порядка нескольких тысяч пКл) «длинные» (фронт порядка 150 нс) разряды, на которые накладываются «короткие» ЧР (фронт порядка 20 нс). Длительность каскада составляет в среднем от 5 до 10 мкс. Поскольку, как и в случае развития скользящего разряда, мощные ЧР следуют непрерывно, звуковой эффект, которым они сопровождаются, тоже воспринимается как непрерывный треск, в который переходят отдельные щелчки.
Рис. 7. Скользящий разряд. Фазовые диаграммы, а — начало развития дефекта; б — глубокое развитие
Рис. 8. Скользящий разряд, глубокое развитие.
Амплитудный спектр
Наиболее вероятным представляется, что дефект данного вида развивается по следующему механизму. В начале развития скользящие разряды пробегают различную длину и соответственно имеют различный кажущийся заряд (величина кажущегося заряда при развитии ЧР в виде скользящего разряда зависит от длины его пробега по поверхности картона). Максимальная длина определяется напряженностью электрического поля. В дальнейшем под действием частичных разрядов на поверхности картона образуются науглероженные проводящие каналы,
дчр, пКл
t, нс
Исходный ЧР Длинный ЧР Короткие ЧР
Рис. 9. Ползущий разряд, глубокое развитие дефекта:
а — осциллограмма каскада ЧР; б — разложение осциллограммы ЧР каскада на исходные импульсы при наложении «коротких» разрядов на «длинные»
а
б
3
б
юшшш
Наиболее вероятным представляется, что дефект данного вида развивается по следующему механизму. Вначале при появлении частичных разрядов большая их часть является скользящими. Затем под действием нормальной составляющей напряженности электрического поля начинает формироваться науглероженный канал ползущего разряда в толще картона (рис. 10). Он шунтирует скользящие разряды и выносит потенциал с верхнего электрода в толщу изоляции. Величина кажущегося заряда первого и наиболее мощного в каскаде частичного разряда при развитии ЧР в виде ползущего разряда определяется длиной перекрываемого промежутка в
толще картона, что в свою очередь определяется длиною волокон целлюлозы. Поэтому наиболее мощные ЧР при развитии ползущего разряда локализуются на определенном уровне кажущегося заряда. Это наблюдается на фазовых диаграммах и амплитудных спектрах, которые отличаются от случая развития скользящего разряда практически полным сосредоточением ЧР на определенных уровнях кажущегося заряда.
В данной работе на модельных изоляционных образцах изучены основные виды дефектов силовых трансформаторов, вызываемых развитием частичных разрядов и приводящих к отказу оборудования. Было установлено, что ЧР в масле и целлюлозе существенно различаются по длительностям процессов (десятки и сотни нс соответственно). Следовательно, именно наличие частичных разрядов с длительностью фронта порядка 100 нс и более свидетельствует о глубоком развитии дефекта, и потому выявлению «длинных» импульсов должно быть уделено особое внимание.
Выявленные в ходе проведенных исследований характерные уникальные отличительные признаки дефектов и стадий их развития являются критериями идентификации дефекта по характеристикам частичных разрядов. Получение данных критериев позволяет говорить о решении одной из основных проблем, снижавших диагностическую ценность электрического метода измерения характеристик ЧР в силовых трансформаторах высших классов напряжения. Целью дальнейших исследований является уточнение данных критериев в ходе их апробации на реальных трансформаторах.
Литература
1. Давиденко И. В. Разработка системы многоаспектной оценки технического состояния и обслуживания высоковольтного маслонаполненного электрооборудования. Автореф. дисс. доктора технических наук. -Екатеринбург, 2009. - 46 с.
