CC BY
32
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ Ибрагимов А.1, Момунали уулу С.2, Маматов Н.3, Дьячков Ю.А.4
1Ибрагимов Азамат Арсланбекович - магистрант;
Момунали уулу Суймонкул - магистрант;
3Маматов Нурланбек Маматович - магистрант;
4Дьячков Юрий Анатольевич - старший преподаватель, кафедра "Электрооборудование и теплоэнергетика ", Ошский Технологический университет. г. Ош, Кыргызская Республика
Аннотация: в статье даны краткие сведения о силовых трансформаторах, основные неисправности и причины выхода силового трансформатора из строя; разработка классификаций дефектов в трансформаторе и стадии их развития, нарушение нормальных режимов, условия предъявляемые к защите трансформаторов и применяемые типы защиты силовых трансформаторов, а также рассмотрены пути повышения эксплуатационной надежности и продления срока службы трансформатора.
Ключевые слова: силовой трансформатор, надежность, эксплуатационная надежность, отказ, дефект, диагностика, мощность, коэффициент использования, преобразование, потребление.
DETERMINATION OF THE TECHNICAL CONDITION OF OPERATING
TRANSFORMERS Ibragimov A.1, Momunali uulu S.2, Mamatov N.3, Dyachkov Yu.A.4
1Ibragimov Azamat Arslanbekovich - undergraduate;
2Momunali uulu Suimonkul - undergraduate;
3Mamatov Nurlanbek Mamatovich - undergraduate;
4Dyachkov Yury Anatolyevich - Senior Lecturer, DEPARTMENT "ELECTRICAL EQUIPMENT AND HEAT POWER ENGINEERING", OSH TECHNOLOGICAL UNIVERSITY. OSH, REPUBLIC OF KYRGYZSTAN
Abstract: the article gives brief information about power transformers, the main malfunctions and reasons for the failure of a power transformer; development of classifications of defects in the transformer and the stages of their development, violation of normal conditions, the conditions for protecting transformers and the applied types of protection of power transformers, as well as ways to improve operational reliability and extend the life of the transformer.
Keywords: power transformer, reliability, operational reliability, failure, defect, diagnostics, power, utilization, conversion, consumption.
УДК 621.311.21
В настоящее время, значительная часть электрического оборудования станций и подстанций в системе передачи и распределении электроэнергии выработала свой ресурс, но продолжает эксплуатироваться, так как на замену устаревшего оборудования требуются большие финансовые средства.
Силовые трансформаторы являются основными элементами современных энергетических систем. Они используются для повышения или понижения напряжения при передаче и распределении электрической энергии и как правило, они весьма надежны.
В сегодняшнем обществе отказы, которые приводят к прекращению подачи энергии в жилые дома и в промышленные здания, становятся все менее приемлемыми для потребителей и регуляторов. Все это дополняется высокими финансовыми затратами и вопросами безопасности, касающихся отказов и неожиданных отключений подачи электрической энергии.
В силу большого количества объективных причин, связанных с развитием и модернизацией современной электроэнергетики Кыргызстана, все большее внимание уделяется вопросам внедрения систем мониторинга и диагностики высоковольтного оборудования, в частности, силовых трансформаторов.
Вопрос определения состояния трансформаторов с каждым днем становится всё более актуальным и прямо пропорционален динамике износа оборудования, которое находится в эксплуатации. В настоящее время около 60% действующего оборудования отработало свой эксплуатационный срок, и требует замены. На сегодняшний день, 40% трансформаторов имеет средний возраст 20 лет и выше, и требуют
проведения капитального ремонта. Быстрая и полная оценка состояния трансформатора дает возможность продолжать его эксплуатацию. Своевременное проведение диагностики трансформаторов позволяет избежать не только финансовых затрат, но и потерь, связанных с аварийным отключением электроснабжения.
Для продления срока службы трансформатора, и его эксплуатации необходимо точная и своевременная диагностика, то есть определение его технического состояния.
Современная техническая диагностика как область знаний, занимается теорией, методами и средствами обнаружения и поиска дефектов, под которыми следует понимать любое отклонение характеристик объекта от заданных характеристик. Установление несоответствия параметров и характеристик объекта - одна из задач диагностирования [1].
Быстрый рост спроса на электрическую энергию в 1990-х и 2000-х годах создал предпосылки для значительных инвестиций в энергетическую инфраструктуру, включая и существующие трансформаторы, и их замену на более высокие классы напряжения с целью экономичной передачи постоянно увеличивающихся объемов энергии, требуемой потребителями.
Большое количество находящихся в эксплуатации трансформаторов сегодня имеют возраст, превышающий 40 лет. Со старением трансформаторов появляется обеспокоенность по поводу их способности продолжать надежную работу. Некоторые трансформаторы способны работать долгое время (более 50 лет после начальной установки), а другие могут быть подвержены отказам через относительно небольшой период времени.
Хронологический возраст трансформатора и величина его старения за это время не всегда хорошо коррелируют друг с другом. К релевантным факторам, оказывающим влияние на реальный период работы трансформатора, относятся его конструкция, обслуживание, воздействие на него внешних скачков напряжения и отказов, нагрузка, температура, в которых он функционирует, периодичность работы, окружающая среда, и многие другие факторы.
Все энергоснабжающие организации и производители электрической энергии, парк трансформаторов которых достаточно устарел, должны, задуматься о перспективах очень затратных проектов по замене устаревшего трансформаторного оборудования с целью обеспечения высокой надежности и качество их работы. Оценки всех этих активов должны включать в себя затраты, связанные с отказом устройств, с неожиданными отключениями и с последующими повреждениями, с восстановлением напряжения, с выплатой штрафов, а также ремонтные затраты, относящиеся к исправлению создавшейся ситуации [3].
Эти стареющие трансформаторы работают в условиях повышенной рабочей температуры в связи с более высоким спросом на электроэнергию и недостаточными возможностями их для его удовлетворения. Для обеспечения более высокой надежности стареющего парка оборудования, необходим способ оценки, позволяющий идентифицировать трансформаторы с высоким риском отказа. Сегодня существуют проверенные методы и средства, позволяющие смягчить эти риски. Повышение устойчивости и надежности электрических систем обеспечивают превентивные действия с хорошими диагностическими программами, процедуры обслуживания, и планы замены и обновления оборудования, а также стратегии нагрузки и экономии.
Безотказность и бесперебойность работы оборудования, сетей, систем и станций зависит от параметров надежности их работы, ка основных элементов энергосистемы. В настоящее время увеличивается спрос на силовые трансформаторы с большим сроком службы работы. Поэтому с целью удовлетворения этого спроса ставятся новые задачи их реализации, главными параметрами которых считаются надежность, работоспособность, жизненный цикл.
Силовые трансформаторы являются основными элементами электрических сетей и систем, которые определяют неотъемлемую часть её эксплуатационной надежности и экономичности которые зависят от срока службы трансформатора. Отключения при авариях, дефекты и повреждения приводят к затратам, убыткам и физическому износу оборудования.
Поэтому одной из актуальных задач повышения надежности и качества функционирования электрических систем является оценка эксплуатационной надежности для учета ее при проектировании и совершенствовании системы технического обслуживания и ремонта трансформаторов [2].
Продление, увеличение жизненного цикла и ресурса определенного силового трансформатора осуществляют при помощи проведения комплексного технического обследования.
Несмотря на то, что у трансформаторов отсутствуют движущиеся и вращающиеся части, в процессе эксплуатации возможны и практически имеют место повреждения и нарушение нормальных режимов работы. Поэтому трансформаторы должны оснащаться релейной защитой.
В обмотках трансформаторов могут возникать короткие замыкания между фазами, замыкания одной или двух фаз на землю, замыкания между витками одной фазы и между обмотками. На вводах трансформаторов, ошиновок также могут возникать замыкания между фазами и на землю. Кроме указанных повреждений, в условиях эксплуатации могут происходить нарушения нормальных режимов работы трансформаторов, к которым относятся:
- прохождение через трансформатор сверхтоков при повреждении других элементов, связанных с
трансформатором;
- перегрузка;
- выделение из масла горючих газов;
- понижение уровня масла,
- повышение температуры масла.
Из вышеизложенного следует, что защита трансформаторов должна удовлетворять следующим условиям:
1. Отключать трансформатор от всех источников питания при его повреждении.
2. Отключить трансформатор от поврежденной части установки при прохождении через него сверхтоков в случаях повреждения шин или другого оборудования, связанного с трансформатором, а также при повреждении смежного оборудования и отказа защиты на нем или выключателе.
3. Подавать предупредительный сигнал дежурному подстанции при перегрузке трансформатора, при выделении газа из масла, при понижения уровня масла и повышении его температуры.
В соответствии с назначением защиты трансформаторов при их повреждениях и сигнализации о нарушении нормальных режимов работы применяются следующие типы защит [4]:
1. Дифференциальная защита - для защиты при повреждении обмоток, вводов или ошиновки трансформаторов.
2. Токовая отсечка мгновенного действия для защиты трансформатора при повреждении его ошиновки, вводов или части его обмоток со стороны источника питания.
3. Газовая защита для защиты при повреждениях внутри бака трансформатора, сопровождающихся выделением газа, а также при понижении уровня масла.
4. Максимальная токовая защита, максимальная направленная защита или МНЗ с пуском минимального напряжения для защиты от сверхтоков, проходящих через трансформатор при повреждении, как самого трансформатора, так и элементов, связанных с ним.
5. Защита от перегрузки, действующая на сигнал на подстанции с обслуживающим персоналом и на отключение - без обслуживающего персонала.
В отдельных случаях на трансформаторах устанавливаются дополнительные виды защит.
Контроль состояния трансформатора носит комплексный характер. Обычно он начинается еще на стадии изготовления. Именно тогда проверяют качество изоляционных и активных материалов, отдельных деталей и узлов, качество сборки.
Готовый трансформатор подвергают комплексной проверке на испытательной станции завода-изготовителя, оснащенной всеми необходимыми средствами диагностики. При транспортировке трансформатора осуществляют контроль его герметичности, а в некоторых случаях и контроль за воздействием механических усилий.
Прибывший трансформатор также требует контроля его состояния, как при хранении, так и в процессе монтажа в соответствии с руководящими техническими материалами "Трансформаторы силовые. Транспортирование, разгрузка, хранение, монтаж и ввод в эксплуатацию". После окончания монтажа перед вводом в эксплуатацию с целью диагностики состояния трансформатор испытывается в объеме, предусмотренном «Правилами устройств электроустановок» (ПУЭ) [5].
Однако наибольший объем работ по проверке состояния трансформаторов осуществляется в процессе эксплуатации. Рассмотрим применяемые способы контроля состояния обмоток трансформатора и как по полученным результатам оценить состояние трансформатора и сделать заключение о возможности его последующей эксплуатации.
Основными эксплуатационными требованиями являются электрическая и механическая прочность и нагревостойкость как обмоток, так и других частей, и всего трансформатора в целом. Изоляция обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения, которые могут возникнуть в сети, где трансформатор будет работать.
Механическая прочность обмоток должна гарантировать защиту их от механических деформаций и повреждений при токах короткого замыкания, которые многократно превышают номинальный рабочий ток трансформатора.
Нагрев обмоток и других частей от потерь, возникающих в трансформаторе при нормальной работе и КЗ ограниченной длительности, не должен приводить изоляцию обмоток и других частей, а также масло трансформатора к тепловому износу или разрушению в сроки более короткие, чем обычный срок службы трансформатора (20-25 лет).
Общие эксплуатационные требования, предъявляемые к трансформаторам их обмоткам, регламентированы соответствующими стандартами ГОСТ на силовые трансформаторы общего назначения, на различные специальные трансформаторы, на электрические испытания изоляции трансформаторов.
Полный перечень параметров состояния трансформатора, которые могут контролироваться в режиме диагностического мониторинга и которые рекомендуют контролировать различные нормативные документы, превышает сотню. При внимательном рассмотрении каждого из них приходится соглашаться с необходимостью контроля данного параметра, так как он при определенных условиях будет полезен для оценки технического состояния трансформатора.
Но, с другой стороны, понятно, что простое следование таким рекомендациям приводит к созданию громоздких и дорогих систем мониторинга, экономическая эффективность которых в большинстве случаев как минимум сомнительна.
Актуальность контроля и оценки технического состояния тех или иных функциональных подсистем, из которых состоит трансформатор, может изменяться в зависимости от обстоятельств. Порядок контроля отдельных систем трансформатора приведен в таблице 1.
Изоляционная система трансформатора. Для корректной оценки ее состояния необходимо контролировать параметры масла и растворенные в ней газы, состояние вводов и состояние изоляции обмотки трансформатора.
Система охлаждения трансформатора. Для оценки эффективности ее работы контролируется температурный режим работы трансформатора, техническое состояние маслонасосов и иногда - состояние вентиляторов обдува.
Контроль целостности конструкции трансформатора. Эффективным средством оценки состояния конструкции трансформатора является вибрационный контроль хотя бы на поверхности бака трансформатора.
Контроль состояния дополнительных систем трансформатора. В основном это касается необходимости контроля работоспособности устройства РПН.
Контроль переходных и аварийных процессов в трансформаторе и в энергосистеме. Контроль этих параметров помогает в ряде случаев лучше оценить остаточный ресурс трансформатора.
Параметрический контроль режимов эксплуатации трансформатора, контроль токов и напряжений. Это позволяет оценивать нагрузку трансформаторов, но в большинстве случаев приносит мало пользы при оценке технического состояния трансформатора.
Таблица 1. Порядок диагностирования трансформатора.
Контролируемый параметр Используемый метод контроля
Состояние главной изоляции Измерение и анализ частичных разрядов в изоляции трансформатораВыявление типа дефекта - Корреляция ишживнэсшчагаичныхразрядэв итипавыявпеншго дгфеиас данными хроматографии
Контроль состояния вводов Контроль токов проводимости вводов. Отключение трансформатора при возникновении предаварийной ситуации - Контроль частичных разрядов
Контроль сопротивления обмоток фаз - Измерение и анализ тока в нейтрали трансформатора. - Выявление несимметрии сопротивления обмоток, возникающей при нарушении формы обмоток после воздействия токов к.з.
Контроль работы системы охлаждения Контроль разницы температур верхней и нижней части бака трансформатора с учетом нагрузки и температуры окружающей среды
На основе эксплуатационных данных можно выделить следующие причины потери работоспособности трансформатора:
- повышенный нагрев трансформатора, вызванный нагревом металлических частей, вихревыми потоками, перегрузками и перенасыщением магнитопровода и их старением;
- нарушение изоляции между элементами конструкции;
- увлажнение изоляции;
- наличие газа в масле в процессе газовыделения в местах повышенного нагрева или повышенной напряженности электрического поля;
- старение изоляции под действием катализаторов и электрического поля;
-частичные деформации обмоток при КЗ;
- витковые замыкания обмоток;
- увлажнение вводов;
- частичные разряды в изоляции.
В результате многолетней эксплуатации трансформаторов были установлены типичные виды повреждений основных элементов трансформатора. Статистика показывает, что две трети повреждений возникают в результате неудовлетворительного ремонта, монтажа и эксплуатации, а одна треть — вследствие заводских дефектов.
Для магнитопровода при наличии дефекта в листовой изоляции возможен перегрев, вызываемый вихревыми токами. В случае конденсации влаги на поверхности масла она попадает на верхнее ярмо, проникает между пластинами активной стали в виде водомасляной эмульсии, разрушает межлистовую изоляцию и вызывает коррозию стали. По этим причинам ухудшается состояние масла, то есть понижается температура вспышки, повышается кислотность и увеличиваются потери холостого хода.
Наиболее характерным видом повреждений в обмотках трансформатора является витковое замыкание. Причиной его может быть разрушение изоляции из-за старения вследствие её естественного износа или из-за продолжительных перегрузок трансформатора при недостаточном охлаждении обмоток. Нарушение изоляции витков может произойти так же вследствие механических повреждений при КЗ.
На основании полученных результатов инфракрасной диагностики электрооборудования и обнаруженных после дополнительных проверок дефектов можно сделать следующее заключение: все выявленные тепловизионной диагностикой дефекты подтверждаются другими методами диагностики, в частности, хроматографическим анализом растворенных газов в масле, измерением интенсивности частичных разрядов в изоляции электрооборудования и др.
Тепловизионная диагностика электрооборудования является одним из основных направлений развития системы технической диагностики, которая обеспечивает возможность контроля теплового состояния оборудования без вывода его из работы, выявления дефектов на самой ранней стадии развития, сокращения затрат на техническое обследование за счет прогнозирования сроков и объемов ремонтных работ.
Список литературы/References
1. Алексеев Б.А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. / М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 216 с.: ил.
2. Аль Хамри Саид Сейф Сабир. Исследование дефектов в силовых трансформаторах и разработка мероприятий по повышению эффективности их диагностирования / Иваново, 2005 г.
3. Быстрицкий Г.Ф. Энергосиловое оборудование промышленных предприятий. / М. "Академия"2003. Стр. 320
4. МогузовВ.Ф. Обслуживание силовых трансформаторов. [Текст] / - М.: Энергоатомиздат, 1991 - 192 с.
5. Правила устройства электроустановок. / - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Энергосервис, Госэнергонадзор, 2000 - 608 с.- ISBN 5-900835-32-4.
