CC BY
110
УДК 621.314.222
ОБНАРУЖЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ОБМОТОК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СРЕДСТВАМИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПОСЛЕ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
А.Ю. ХРЕННИКОВ
ОАО "Федеральная сетевая компания ЕЭС"
Статья посвящена вопросам обнаружения деформаций обмоток силовых трансформаторов средствами технической диагностики после коротких замыканий. Рассмотрены основные причины внутренних повреждений и виды электродинамических деформаций обмоток, такие как осевые, радиальные остаточные деформации и др. Приведена фотография осевых деформаций обмотки низшего напряжения трансформатора ТДЦ-250000/220 и осциллограммы низковольтных импульсов (НВИ) - метода технической диагностики для обнаружения деформаций обмоток силовых трансформаторов.
Ключевые слова: обнаружение, деформации обмоток трансформаторов, метод низковольтных импульсов, техническая диагностика.
Силовые трансформаторы — наиболее ответственные и дорогостоящие элементы в системе распределения электрической энергии. Транзит и передача больших потоков мощности в рамках Единой национальной электрической сети также невозможны без трансформации электроэнергии.
Наиболее опасные с точки зрения длительности недоотпуска электроэнергии, финансовых потерь и возможности восстановления трансформаторного электрооборудования, т.е. его ремонтнопригодности, - внутренние повреждения обмоток силовых трансформаторов. Первопричиной таких повреждений может быть внутренний пробой витковой изоляции в результате деструкции изоляции под воздействием эксплутационных факторов и действия частичных разрядов (ЧР) в месте будущего пробоя, которые могут быть результатом коммутационных, грозовых и иных повышенных воздействий на изоляцию.
Вторая основная причина - недостаточная электродинамическая стойкость обмоток при КЗ, приводящая практически сразу к аварийному выходу трансформатора из строя с тяжелыми последствиями (пробой изоляции в месте остаточных деформаций и витковое замыкание), особенно трансформаторов со сроком службы более 25 лет.
Необходимо отметить, что из трансформаторов, выработавших свой нормативный срок эксплуатации 25 лет, должны отбираться пробы внешней витковой изоляции верхних катушек обмоток для выявления степени полимеризации бумажной изоляции, которая не должна быть ниже 250 ед. Методика определения степени деструкции бумажной изоляции разработана Институтом Физической Химии РАН и внедрена в системе ОАО «Иркутскэнерго».
В месте деформации обмотки возможно также образование очага с ослабленной изоляцией, который может существовать много лет с интенсивным развитием ЧР, приводящим, в конечном итоге, к пробою изоляции и витковому замыканию. По статистике примерно 30 % общего числа отключений трансформаторов напряжением 110 - 500 кВ и мощностью 63 МВ-А и более на предприятиях электрических и межсистемных сетей России связано с внутренними КЗ [1-6].
Механизм изменения геометрии обмоток силовых трансформаторов при протекании токов КЗ хорошо известен. При КЗ под действием электродинамических сил по закону Ампера медь обмоточного провода деформируется. В упрощенном виде электродинамическая сила, действующая на элементарный проводник с током, равна
F = IBl sin а ,
где I — ток в проводнике обмотки трансформатора, B - магнитная индукция, действующая на проводник; l — длина элементарного проводника; а - угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.
Опыт испытаний силовых трансформаторов на стойкость токам КЗ на крупнейших стендах бывшего СССР в 1970-х — начале 1990-х годов и собранная статистика по диагностике повреждений в эксплуатации показывают, что при протекании сквозных токов КЗ наблюдаются следующие основные виды потерь электродинамической стойкости обмоток:
1 осевые остаточные деформации;
2 радиальные остаточные деформации;
3 «полегание» обмоточного провода под действием электродинамических сил;
4 скручивание или раскручивание обмоток. Данный вид выделен отдельно, так как это не осевые и не радиальные остаточные деформации, поскольку геометрия обмотки по высоте, а также радиальный ее размер остаются неизменными;
5 распрессовка обмоток (следует рассматривать как частный случай изменения осевых размеров обмотки под действием токов КЗ или вибрации в процессе длительной эксплуатации);
6 повреждение прессующей системы обмоток и распушение верхних витков (частный случай потери осевой устойчивости);
7 витковые замыкания (конечный итог деструкции бумажной изоляции и потери электродинамической стойкости обмоток под действием эксплутационных факторов и токов КЗ).
Далее происходит пробой изоляции в месте деформации. Пример осевых деформаций обмотки низшего напряжения (НН) трансформатора ТДЦ-250000/220 представлен на рис. 1. Изменение сопротивления КЗ в режиме ВН — НН в данном
случае составило = + 20% [5-7].
Рис. 1. Общий вид фазы В обмотки НН трансформатора ТДЦ-250000/220, иллюстрирующий потерю осевой устойчивости обмотки
В конце 1960-х и начале 1970-х годов основными заводами-изготовителями были допущены некоторые конструктивные ошибки при проектировании активной части силовых трансформаторов, особенно автотрансформаторов (АТ), которые и обусловливают на протяжении последнего десятилетия повреждения трансформаторного электрооборудования, выработавшего свой нормативный ресурс.
Внеплановое отключение АТ типа АТДЦТНГ-125000/220/110 вследствие срабатывания дифференциальной и газовой защит произошело в сентябре 2003 г. на подстанции "Кострома-2" ОАО "Костромаэнерго". Через мембрану выхлопной трубы имел место незначительный выброс масла, в газовом реле был обнаружен горючий газ, видимых деформаций бака АТ не наблюдалось.
Диагностика методом низковольтных импульсов (НВИ) проводилась в целях контроля геометрии обмоток АТ и выяснения его ремонтнопригодности. Значительные различия в осциллограммах НВИ обмоток НН, РО и ОО автотрансформатора АТ-1 на подстанции "Кострома-2", иллюстрирующие резкое отличие фазы С, особенно заметное в дифференциальных разницах с участием фазы С (а — с и Ь — с), подтверждают наличие значительных электродинамических деформаций и виткового замыкания в обмотках.
Автотрансформатор АТ-1 на подстанции "Кострома-2" признан неремонтнопригодным и подлежащим утилизации.
Эксплуатационный персонал должен четко представлять, что отключение ответственных силовых трансформаторов (изготовленных в 1960 — 1970-е годы), связанное с протеканием сквозных токов КЗ через их обмотки и работой газовой и дифференциальной защит, обусловливает необходимость всестороннего обследования активной части трансформатора. Нельзя ограничиваться только измерением
параметров ^из , tg 8, ^ом, потерь Рхх и др. Необходимо также определять степень
полимеризации бумажной витковой изоляции и проводить диагностику методом НВИ, так как последняя более чувствительна к любым изменениям геометрии обмоток (локальным небольшим межвитковым, межкатушечным, межобмоточным,
межфазным емкостям и индуктивностям). Измерение только сопротивления КЗ эффективно лишь при значительных изменениях индуктивности обмоток, если
остаточные деформации охватывают большое число витков и может произойти нарушение электрической прочности изоляции.
Все ответственные силовые трансформаторы и АТ напряжением 220 - 750 кВ, изготовленные в 1960 — 1970-е годы, должны проходить комплексное обследование методами, указанными в нормативном документе "Объемы и нормы испытаний электрооборудования", в том числе пункт 6.6.2. "Оценка по степени полимеризации".
Образцы бумаги витковой изоляции верхних катушек должны отбираться при плановых капитальных ремонтах для определения остаточного ресурса по деструкции целлюлозы или при решении вопроса о замене трансформатора на новый в зависимости от затрат на ремонт и состояния остальных его конструктивных частей, например магнитопровода. Места изъятия бумаги должны согласовываться с Госэнергонадзором и с ведущей в этом направлении организацией — ОАО "ВНИИЭ".
Кроме того, следует учитывать все случаи внеплановых отключений за прошедшие годы, а также, при необходимости, проводить диагностику методом НВИ для обнаружения остаточных деформаций после протекания сквозных токов КЗ через обмотки обследуемых трансформаторов. Таким образом можно избегать указанных для примера аварий, произошедших на подстанциях "Кострома-2" и "Тайшет". После комплексного обследования должен быть сделан вывод о возможности дальнейшей эксплуатации трансформатора и установлена периодичность повторных измерений, если он остается в работе [9-17].
Выводы
1. Основными причинами повреждений силовых трансформаторов являются:
— повреждение высоковольтных вводов и дальнейшее распространение повреждения на активную часть;
— пробой витковой изоляции в результате ее деструкции под воздействием эксплутационных факторов и частичных разрядов;
— недостаточная электродинамическая стойкость обмоток при КЗ;
— внешние КЗ на выводах.
2. В месте деформации обмотки возможно образование очага с ослабленной изоляцией, который может существовать много лет, и в нем идет интенсивное развитие ЧР, приводящих в конечном итоге к пробою изоляции и к витковому замыканию.
2. Основными видами потери электродинамической стойкости обмоток при протекании сквозных токов КЗ являются осевые, радиальные остаточные деформации, полегание обмоточного провода и другие.
3. Трансформаторы и автотрансформаторы, изготовленные в конце 1960-х и в 1970-е годы, имеют недостаточную электродинамическую стойкость обмоток при протекании токов КЗ и обладают повышенной аварийностью.
4. Для силовых трансформаторов мощностью свыше 125 МВА напряжением 220-750 кВ, изготовленных в 1960-1970-е годы, необходимо провести комплексное обследование традиционными методами, оговоренными в работе [1], и, если это необходимо, провести дополнительную специальную диагностику (НВИ, ЧР в изоляции, определение степень полимеризации образцов бумажно-масляной изоляции и др.).
5. Метод низковольтных импульсов (НВИ) рекомендуется использовать для выявления изменений механического состояния обмоток силовых трансформаторов после режимов с протеканием сквозных токов КЗ при выводе их в ремонт.
6. Рекомендуется вносить в паспорт (формуляр) для облегчения мониторинга и диагностики силовых трансформаторов на заводе-изготовителе или на подстанции при вводе в эксплуатацию следующие данные: первичные нормограммы НВИ, первичные данные по ЧР, первичные термограммы, данные по остаточной прессовке
обмоток, данные пофазных измерений сопротивления КЗ (^ ) во всех режимах, в номинальном и 2-х крайних положениях РПН.
Summary
The paper was devoted by questions of detection of power transformer's winding deformations after short-circuits by technical diagnostics. General causes of internal faults and types of electrodynamic winding deformations, such as axial, radial remainder deformations, were described in this paper. There are picture of axial low voltage winding's deformations of 250 MVA 220 kV transformer and ocsillogramms of low voltage impulse (LVI) - method of technical diagnostics for detection of power transformer's winding deformations.
Key words: detection, transformer's winding deformations, low voltage impulse method, technical diagnostics
Литература
1. Хренников А.Ю., Еганов А.Ф., Смолин А.Ю., Щербаков В.В., Языков С. А. Тепловизионный контроль генераторов и импульсное дефектографирование силовых трансформаторов // Электрические станции. 2001. № 8.
2. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г. Техническая диагностика, повреждаемость и ресурсы силовых и измерительных трансформаторов и реакторов // Монография, Энергоатомиздат. М. 2007., ISBN 978-5-283-03270-2, 286 с., ил.
3. Львов М. Ю., Львов Ю. Н., Дементьев Ю. А., Антипов К. М., Сурба А. С., Шейко П. А., Неклепаев Б. Н. , Шифрин Л. Н., Кассихин С. Д., Славинский А. З., Сипилкин К. Г. О надежности силовых трансформаторов и автотрансформаторов электрических сетей // Электрические станции. 2005. № 11.
4. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю., Шифрин Л.Н. Эксплуатация силовых трансформаторов при достижении предельно допустимых показателей износа изоляции обмоток // Электрические станции. 2004. № 2.
5. Короленко В.В., Конов Ю.С., Федорова В.П. Обнаружение повреждений трансформаторов при коротких замыканиях // Электрические станции. 1980. № 7.
6. Хренников А.Ю. Основные причины повреждения обмоток силовых трансформаторов при коротких замыканиях // Электричество. 2006. №7. С.17-24.
7. Хренников А.Ю. Опыт обнаружения остаточных деформаций обмоток силовых трансформаторов // Энергетик. 2003. № 7.
8. Хренников А.Ю., Киков О.М. Диагностика силовых трансформаторов в Самараэнерго методом низковольтных импульсов // Электрические станции. 2003. № 11.
9. Хренников А.Ю., Рубцов А.В., Щербаков В.В., Языков С.А. Тепловизионный контроль электротехнического оборудования и опыт диагностики геометрии обмоток силовых трансформаторов // Электрические станции. 2006. № 5.
10. Хренников А.Ю., Таджибаев А.И. Методы оценки состояния силовых маслонаполненных трансформаторов на основе контроля геометрии обмоток // Монография. СПб.: ПЭИПК, 2005. 52 с.
11. Хренников А.Ю., Киков О.М., Передельский В. А., Сафонов А. А., Якимов В.А. Применение метода низковольтных импульсов для диагностики состояния силовых трансформаторов // Энергетик. № 9. 2005.
12. Хренников А.Ю. Основные причины повреждения обмоток силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в процессе эксплуатации // Промышленная энергетика, 2006. № 12. С.12-14.
13. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения // М.: Энергоатомиздат, 1992. 240с.: ил.
14. Хренников А.Ю. Проверка надежности конструкции и электродинамические испытания силового трансформатора мощностью 250 МВА напряжением 220 кВ // Известия вузов "Проблемы энергетики" Казанского государственного энергетического университета. 2008. № 1-2. С.48-55.
15. Хренников А.Ю. Разработка математических моделей внешнего диагностического воздействия импульса на схему замещения обмоток высоковольтных электрических аппаратов // ЭЛЕКТРО № 2. 2008. С.7-11.
16. Хренников А.Ю. Термические испытания реактора РКОС-36000/33 // Промышленная энергетика, 2008. № 5. С.10-12.
17. Хренников А.Ю. Электродинамические испытания силового
трансформатора типа ТДЦ-250000/220 для проверки стойкости его обмоток к токам КЗ // Известия вузов "Электромеханика". 2008. № 3. С.73-75.
Поступила в редакцию 03 декабря 2008 г.
Хренников Александр Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, главный эксперт-аудитор Департамента технического аудита ОАО "ФСК ЕЭС". Тел. 8 (495) 710-91-31; 8-903-2645742. E-mail: khrennikov-ay@rao.elektra.ru.
