CC BY
111
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук,
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: [email protected] УДК 621.311
П. О. Русских, В. В. Ярошевич, А. С. Карпов
ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ СОКРАЩЕННОГО СРОКА СЛУЖБЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Аннотация
Приведена и проанализирована принципиальная электрическая схема действующей подстанции. Рассмотрены основные причины сокращенного срока службы силового трансформатора. С помощью математического и программного моделирования рассчитано влияние различных факторов на трансформаторы. На основе результатов моделирования рассмотрены предложения по снижению опасных воздействий на силовое оборудование подстанций. Ключевые слова:
силовой трансформатор, автотрансформатор, подстанция, атмосферные перенапряжения, коммутационные перенапряжения, дуговые перенапряжения, качество электроэнергии, ударные токи.
P. O. Russkih, V. V. Yaroshevich, A. S. Karpov
MAIN REASONS SHORTEN THE LIFE OF POWER TRANSFORMERS
Abstract
Are presented and analyzed a circuit diagram of the current substation. The main reasons for the reduced terms of the power transformer. With the help of mathematical modeling and software calculated the effect of all factors on transformers. Based on simulation results discussed proposals to reduce the dangerous effects on the power substation equipment. Keywords:
power transformer, auto-transformer, substation, atmospheric overvoltage, switching voltage, arc voltage, power quality, shock currents.
В Центре физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН уже длительное время проводятся исследования по совершенствованию надежности и энергоэффективности работы высоковольтного оборудования, а также изучение работы силового оборудования станций и подстанций в условиях арктического региона РФ.
Одним из основных электрических устройств в системах электроснабжения являются трансформаторы. Надежность электроснабжения потребителей во многом определяется силовым трансформаторным оборудованием. При этом возможные повреждения трансформаторов ведут, к ухудшению электроснабжения потребителей, а также к крупным авариям. Повышение удельной повреждаемости силовых трансформаторов связано с уменьшением срока эксплуатации, перенапряжениями, дефектами изоляции, короткими замыканиями.
Трансформаторы — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для
преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока [1].
В значительной степени конструкция трансформаторов определяется их назначением. На рис. 1 представлена классификация трансформаторов.
Рис. 1. Классификация трансформаторов
Наиболее интересны силовые трансформаторы, так как они имеют самый долгий срок службы - 25 лет. На рисунке 2 представлена классификация силовых трансформаторов по назначению.
Трансформаторы, которые предназначены для преобразования электроэнергии в электрических сетях и установках, используемых для приема и преобразования электрической энергии, называют силовыми. При этом к силовым трансформаторам относятся однофазные трансформаторы мощностью 5 кВА и более, а также трехфазные и многофазные трансформаторы мощностью 6.3 кВА и более [2].
НАЗНАЧЕНИЕ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
(
В системах передачи и распределения электроэнергии
Для установок со статическими преобразователями при преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямители) или постоянного в переменный (инверторы)
Для получения требуемых напряжений в цепях управления электроприводами и в цепях местного освещения
Рис. 2. Классификация силовых трансформаторов по назначению
Силовые трансформаторы являются очень дорогостоящим оборудованием, поэтому их изучению требуется уделять большое внимание.
Для исследования сокращенного срока службы силовых трансформаторов были проведены регистрации характеристик нагрузки и показателей качества электроэнергии на действующей подстанции ПС-110/10/10 с целью выявления источников негативного влияния.
Подстанция ПС-110/10/10 кВ является действующей и находится в промышленной зоне города на Севере России. На подстанции установлены два трансформатора 1Т и 2Т с расщепленной обмоткой 10 кВ типа ТРДНМ-63000/110-У1.
На каждой системе шин 10 кВ установлены трансформаторы напряжения ТН-10 (ТН-10-I, II, III и IV) типа НТМИ-10. Все оборудование, присоединенное к системам шин 10 кВ (кроме ТСН и разрядников, защищающих шинопроводы), установлено в ячейках комплектного распределительного устройства.
Основной потребитель подстанции - машиностроительное предприятие. По некоторым отходящим фидерам 10 кВ питаются городские потребители. Принципиальная электрическая схема подстанции в нормальном режиме представлена на рисунке 3.
СМВ 10-34
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема подстанций в нормальном режиме
Возможное влияние на силовые трансформаторы могут оказывать следующие факторы (рис. 4).
Рис. 4. Возможные влияния на силовые трансформаторы
Атмосферные перенапряжения. Формирование атмосферных перенапряжений на оборудовании подстанции обусловлено прорывами молнии на обшивку при разрядах в подстанцию, а также набегающими по ЛЭП грозовыми волнами. Появление опасных грозовых волн возможно при прорывах ударов молнии на фазные провода мимо тросовой защиты в пределах подходов ЛЭП к подстанции и при ударах молнии в опоры или трос на подходах ЛЭП
с последующими обратными перекрытиями их изоляции. Увеличение вероятности обратных перекрытий в пределах тросовых подходов характерно для районов с высоким удельным сопротивлением грунта, где имеются проблемы практической реализации заземлений опор в соответствии с требованиями ПУЭ.
Защита от атмосферных перенапряжений обеспечивается системой стержневых молниеотводов (защита от прямых ударов молнии в ошиновку подстанции), защитой подходов ЛЭП и разрядниками типа РВМГ-110М. Защитные аппараты установлены в непосредственной близости от силовых трансформаторов в соответствии с требованиями ПУЭ (рис. 5).
©а 11 6а ь ■с 15 и? яч П1 ' Йа "П V ?а о).: яч, 2В Ф.2бед О'йл Я':- 22 СМВ-1И-12 1 еа 1>.з В а 1.-е а | ^ & Л— Я'Ь. 12 ф,12 60 Я1:. ТН ■ яч. Я Флй-йа в I1? тЙ 1 Г, ыа
к \>01 им ч и* У'ы .та §ы Эй йо ы п Р-» (ООО I- о-» м- . 6 >31-2 ы як)
Рис. 5. План крытого распределительного устройства подстанции
Защита изоляции обмоток 10 кВ выполнена разрядниками РВП-10, установленными также в непосредственной близости от выводов 10 кВ силовых трансформаторов.
В сети 110 кВ используется частичное разземление нейтралей силовых трансформаторов. Нейтрали обмоток 110 кВ 1Т и 2Т разземлены. Изоляция нейтралей 1Т и 2Т защищена разрядниками РВС-35 и РВС-15. Молниезащита на подстанции выполнена в полном соответствии с требованиями ПУЭ, следовательно, молниезащита силовых трансформаторов обеспечивает нормативную надежность. В [3] экспериментально показана зависимость режима заземления нейтрали силового трансформатора при воздействии на него атмосферных перенапряжений.
Условия формирования атмосферных перенапряжений на обоих силовых трансформаторах одинаковы. Поэтому воздействиями атмосферных перенапряжений нельзя объяснить разную степень расходования ресурса и износа 1Т и 2Т.
Коммутационные перенапряжения. Перенапряжения при напряжениях ненагруженных трансформаторах или машин могут возникать на присоединениях со стороны коммутированного оборудования. Возникновение коммутационных перенапряжений в схеме 10 кВ ПС возможно только при операциях выключателями присоединений, секционными и вводными выключателями. В РУ 10 кВ установлены масляные выключатели типа ВМП-10, ВМПЭ и ВМПП, которые допускают повторные зажигания дуги при коммутациях больших токов замыканий. Однако влияние емкости подключенных кабелей существенно сглаживает коммутационные
перенапряжения. Таким образом, появление коммутационных перенапряжений большой кратности практически исключено.
Перенапряжения при отключениях ненагруженных трансформаторов или машин могут возникать на присоединениях со стороны коммутируемого оборудования, поэтому для силовых трансформаторов 1Т и 2Т опасности не представляют.
Дуговые перенапряжения. Для уменьшения токов однофазных замыканий на землю в сети 10 кВ на всех шинах ПС установлены дугогасящие реакторы типа ЗРОМ-300/10 с фиксированной настройкой. Выделение нейтрали выполнено с помощью фильтров присоединения типа ТМ-400/10. Для анализа дуговых перенапряжений обычно используют упрощенную схему, аналогичную приведенной на рисунке 6.
Рис. 6. Обобщенная схема для анализа дуговых перенапряжений в сети с изолированной нейтралью, с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или высокоомный резистор Изучение процессов, сопровождающих наиболее вероятные случаи однофазных замыканий на землю, проводилось на модели, схема которой приведена на рис. 7. В качестве приведения расчетной модели к условиям работы силовых трансформаторов 1Т и 2Т, выполнен учет гальванической развязки сети 110 кВ и 10 кВ, режим заземления нейтрали на стороне 110 кВ, подключение дугогасящего реактора через 4ДК и через трансформатор присоединения ТМ 4ДК, влияние магнитной связи обмоток 10 кВ, шунтирующее влияние нагрузки на междуфазные емкости.
Рис. 7. Схема расчетной модели для анализа перенапряжений и переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в сети 10 кВ ПС
Наличие дугогасящих реакторов в значительной степени предотвращает повышение интенсивности дуговых перенапряжений. Их использование позволяет скомпенсировать емкостную составляющую токов однофазных замыканий на землю, повышает вероятность самогашения дуги при неустойчивых перекрытиях изоляции элементов сети 10 кВ, а также существенно снижает частоту повторных зажиганий дуги и перенапряжений при повреждениях изоляции.
Воздействие на силовые трансформаторы в виде повышения напряжения на неповрежденных фазах наблюдается как в момент замыкания, так и после ликвидации или промежуточного гашения дуги в месте повреждения. В рассмотренном случае кратность (при точной настройке дугогасящего реактора) повышения напряжения составляет:
иг
КПН =
ПН
и
' МФ
При нарушениях точности настройки дугогасящих реакторов, обусловленных ограниченным числом переключений параметров реактора и схемными изменениями подключенной сети, возможно возникновение низкочастотных колебаний напряжения при самоликвидации однофазных замыканий с повышением напряжения на неповрежденных фазах выше линейного. Кратность повышения напряжения не является опасной для изоляции электрических машин. Так, случаи замыканий на землю за время исследований не зарегистрированы. С учетом запаса электрической прочности изоляции трансформатора повышения напряжения на неповрежденных фазах
при самоликвидации неустойчивых замыканий на землю не представляют опасности для изоляции обмоток 10 кВ 1Т и 2Т.
Возбуждение перенапряжений при обрыве тока в дугогасящих реакторах ДК, например, при отключениях двух фазных замыканий на землю исключено, так как изменение емкости сети, подключенной к шинам с реакторами ДК, меняется после коммутации не существенно.
Коммутационные перенапряжения, сопутствующие отключениям ненагруженных трансформаторов 1Т или 2Т на стороне 110 кВ, возникают за счет энергии, накопленной в индуктивности намагничивания трансформатора. Факторами, определяющими величину перенапряжения, являются величина индуктивности намагничивания, емкость аппаратов (включая трансформатор) и шин, подключенных к трансформатору, и величина тока ненагруженного трансформатора (мгновенное значение), при котором происходит обрыв тока в коммутационном аппарате. Кратность максимально возможных перенапряжений будет зависеть от отключающей способности коммутационного аппарата.
Таким образом, атмосферные, дуговые и коммутационные перенапряжения не могут быть причиной возникновения электромагнитных воздействий большой интенсивности. Кратность перенапряжений при отключениях ненагруженных трансформаторов на стороне 110 кВ зависит от последовательности операций и отключающей способности отделителей ОД-110.
Некачественная электроэнергия. Гармонические искажения при превышении нормально допустимых уровней гармоник вызывают увеличение потерь намагничивания и некоторое увеличение потерь электроэнергии. Зарегистрированные искажения синусоидальности вызывают увеличение потерь намагничивания и некоторое увеличение потерь электроэнергии, но не являются опасными для силовых трансформаторов. Поэтому специальных мероприятий по снижению гармонических искажений с целью уменьшения негативных влияний на силовые трансформаторы не требуется.
Ранее ЦФТПЭС были выполнены экспериментальные исследования по регистрации показателей качества на этой подстанции [4]. Авторами отмечено, что в режиме раздельной работы регистрация на I с.ш. показала повышение суммарного коэффициента искажения синусоидальности напряжения до 3 %. Однако выход превышений нормально допустимого уровня для всех гармоник равен нулю.
Регистрации на II с.ш. также показали увеличение суммарного коэффициента искажения синусоидальности напряжения до 3 %. В распределении искажений по гармоникам видно, что превышение нормально допустимого уровня отмечено для 28-й гармоники (выходы более 5 % от времени регистрации) и для 30-й гармоники (выходы до 1.5 %).
Таким образом, гармонические искажения, превышающие нормально допустимые уровни, зарегистрированы для 15-й и 21-й гармоник на III с. ш. и IV с. ш. и для 28-й и 30-й гармоник на II с. ш. Выходы превышений составляют 2.. .5% от времени регистрации.
Зарегистрированные искажения (превышение нормально допустимого уровня) могут быть основанием для предъявления претензий к показателю качества электроэнергии со стороны потребителей, подключенных к шинам 10 кВ ПС. Для предотвращения таких претензий необходимо подключение фильтров силовых высших гармоник на присоединениях потребителей
с электроустановками, генерирующими высшие гармоники (например, тиристорные преобразователи, электропечи и т. п.). Фильтры должны быть присоединены на стороне искажающих, установок потребителей и находиться на их балансе.
Поэтому целесообразно в договоре на поставку электроэнергии с промышленным потребителем предусмотреть обязательство промышленного предприятия установить на своих присоединениях силовые фильтры высших гармоник, например, Ф15-10-2400 Л(П)У3. Выбор параметров фильтра определяется в зависимости от мощности источника искажений. Судя по спектральному составу искажений необходимы фильтры широкого частотного диапазона.
Ударные токи. Регистрации токов нагрузки выполнены в трансформаторах тока вводных выключателей (полный ток нагрузки на одну из обмоток 10 кВ силового трансформатора), секционных выключателях (в ремонтном режиме работы с одним силовым трансформатором), а также выключателях присоединений к каждой из систем шин 10 кВ.
Несимметрия ударных токов создает неравномерное распределение магнитных потоков. Сочетание перераспределения потока рассеяния и главного намагничивающего потока в стержнях или ярмах магнитной системы обусловливает подверженность трансформаторов перевозбуждениям и локальным повышениям температуры, особенно в условиях перегрузки.
Возбуждение СНЧ-колебаний фазных токов способствует механическим резонансным явлениям и подмагничиванию магнитопровода. Дополнительное намагничивание вызывает наложение переходных токов. Сопровождающие искажения формы тока и наложение переходных процессов создают эффект колебательных изменений частоты.
Все вышеуказанные факторы создают условия для локальных термических воздействий на изоляцию и нарушения механической прочности элементов изоляции и магнитной системы. Локальные термические воздействия в местах с высокой электростатической напряженностью (в обмотках или соединениях) приводят к термохимическому износу изоляции.
Измерения токов в заземленной нейтрали обмотки 110 кВ трансформатора 1Т выявили амплитудные искажения тока несимметрии, которые могут быть вызваны неравномерной намагниченностью и ухудшением состояния магнитопровода трансформатора. Таким образом, причиной повышенного износа силовых трансформаторов является высокая интенсивность ударных несимметричных изменений токов нагрузки, а также сопровождающие переходные и сверхнизкочастотные процессы.
Предложения по снижению опасных воздействий на силовые трансформаторы. При разработке предложений были рассмотрены следующие варианты снижения опасности зарегистрированных ударных воздействий:
• объединение нагрузки для использования шунтирующего действия стабилизированной нагрузки;
• изменение системы питания установок, вызывающих ударные воздействия, вплоть до применения гальванической развязки, применения токоограничивающих реакторов в качестве сглаживающих ударные изменения токов и симметрирующих устройств.
Перевод ударной нагрузки на питание от трансформатора большой мощности, для которого интенсивные изменения токов величиной до 1000 А являются безопасными, нецелесообразен вследствие существенного снижения коэффициента его использования (загрузки) даже при переводе всех потребителей, подключенных к шинам 10 кВ ПС.
Обеспечение полной гальванической развязки установок потребителя с ударными характеристиками и шин 10 кВ ПС возможно путем использования дополнительного силового трансформатора для питания только установок с ударными характеристиками. Мощность выделенного трансформатора, по предварительным оценкам, должна быть не менее 10 МВ А. Подключение присоединения к силовому трансформатору выполняется через токоограничивающие реакторы с большим индуктивным сопротивлением, например, РБГ-10-630-0.56, РБ, РБУБ РБГ 10-1000-0.56 или РБНГ 10-1000-0.56. При необходимости возможно последовательное включение нескольких реакторов с одинаковой пропускной способностью (номинальным током).
В связи с отсутствием шунтирующего действия нагрузки с постоянными характеристиками на источник гармонических искажений схему целесообразно дополнить широкополосным фильтром высших гармоник. Дополнительный трансформатор будет испытывать воздействия аналогичные зарегистрированным. Поэтому целесообразно передать этот трансформатор на баланс промышленного предприятия. Достоинством трансформаторной развязки является снижение эмиссии СНЧ процессов в сеть 110 кВ.
Второй вариант - обеспечение полной гальванической развязки с помощью включения в схему питания выпрямителя с инвертором и промежуточным емкостным накопителем энергии. Схема «выпрямитель-инвертор» приведена на рис. 8. Это мероприятие дает наибольший эффект, так как полностью исключает несимметрию токов и ударные воздействия. Для устранения возможных искажений напряжения вследствие генерирования инвертором и тиристорным выпрямителем высокочастотных гармоник необходимо дополнить систему «выпрямитель-инвертор» силовым фильтром высших гармоник [6].
Другие варианты изменения схемы питания ударной нагрузки приведены на рисунке 9.
Дополнительно трансформатор может быть оборудован симметрирующим устройством, которое должно быть спроектировано в соответствии с характеристиками подключенных электроустановок промышленного предприятия. В настоящее время разрабатываются системы выравнивания распределения фазной нагрузки с помощью силовых трансформаторов с симметрирующими устройствами [5] и изучается эффективность их использования.
На рисунке 9 представлен вариант включения токоограничивающего реактора и фильтра высших гармоник.
Целесообразно использовать реактор с большой индуктивностью, например, РБУ-10-1000-0.56 или аналогичный.
Следует отметить, что данный вариант не обеспечивает симметрирования ударных воздействий и снижения наложенных СНЧ процессов.
ф.5
_Ф
т
Рис. 8. Схема «выпрямитель-инвертор»
□ вмп-10/1000
1000/5
| фвг |—►
РБУ-10
5-4 (смп)
Рис. 9. Схема подключения через реактор
5
На рисунке 10 приведена схема с включением симметрирующих трансформаторов. Симметрирующие трансформаторы разработаны для использования в тяговых сетях, имеющих известный характер несимметрии -двухфазная нагрузка на перегоне, а также для распределительных сетей со случайным характером неравномерной нагрузки по фазам. В представленном варианте предлагается включение группы параллельно включенных трансформаторов типа ТМГСУ-250/10, либо трансформаторов большей мощности с симметрирующим устройством. Мощность трансформаторов, класс напряжения и другие технические характеристики определяются технологическими условиями производства потребителя.
На рисунке 11 представлен вариант, который предполагает преобразование переменного тока в выпрямленный, и перевод установок с ударной нагрузкой на питание выпрямленным напряжением. Этот вариант так же, как и вариант схемы на рис. 12, должен соответствовать технологическим условиям подключенного потребителя. Поэтому определение модели оборудования (выпрямительной установки и т.д.) и его характеристик, а также заказ и исполнение потребитель должен выполнить самостоятельно.
Данный вариант по аналогии с вариантом схемы питания с дополнительным силовым трансформатором (рис. 12) дает наибольший эффект, так как полностью исключает несимметрию токов и ударные воздействия. При использовании устройства выпрямления с управляемыми силовыми ключами необходимо дополнить систему «выпрямитель-инвертор» силовым фильтром высших гармоник.
Ф.5
□
ВМП-10/1000
1000/5
у д
ТМГСУ
Рис. 10. Группа симметрирующих трансформаторов
Ф.5
ВМП-10/1000
1000/5
фвг |—1>
Выпрямитель
Рис. 11. Преобразователь ударной нагрузки АС/ДС
ОД-110
Т 110/10
РВП-10 0ПН-10
РВС-35 + РВС-15
ВМП - 10/1000
РБУ - 10
Рис. 12. Схема питания с дополнительным силовым трансформатором
Выводы
На примере действующей подстанции 110/10/10 кВ исследованы причины сокращенного срока службы высоковольтных силовых трансформаторов. Установлено, что основное негативное влияние на силовые трансформаторы могут оказывать следующие факторы:
• атмосферные, коммутационные и дуговые перенапряжения;
• некачественная электроэнергия;
• ударные токи.
На основе математического и программного моделирования все эти факторы были проанализированы. В результате получено, что наибольшее влияние на трансформаторы оказывают ударные токи. Причиной повышенного
износа силовых трансформаторов является высокая интенсивность ударных несимметричных изменений токов нагрузки, а также сопровождающие переходные и сверхнизкочастотные процессы.
На основе проведенных исследований и с целью разработки предложений по уменьшению влияния опасных факторов на силовые трансформаторы рассмотрены следующие варианты снижения опасности исследуемых воздействий:
• объединение нагрузки для использования шунтирующего действия стабилизированной нагрузки;
• изменение системы питания установок, вызывающих ударные воздействия вплоть до применения гальванической развязки;
• использование токоограничивающих реакторов в качестве сглаживающих ударные изменения токов;
• применение симметрирующих устройств.
Литература
1. ГОСТ 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2007. - 45 с.
2. ГОСТ 16110-82 Трансформаторы силовые. Термины и определения. Утвержден Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 04.03.82 № 940. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://standartgost.rU/g/rOCT_16110-82
3. Ярошевич, В. В. Влияние нестационарных электромагнитных воздействий на силовые трансформаторы / В. В. Ярошевич, А. С. Карпов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2014. Вып. 8. С. 54-62.
4. Невретдинов, Ю. М. Влияние режима нейтрали и схем включения обмоток силового трансформатора на его импульсные характеристики / Ю. М. Невретдинов, А. В. Бурцев, Г. П. Фастий // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2014. Вып. 8. С. 20-27.
5. Кислицын, А. Л. Трансформаторы: Учебное пособие по курсу «Электромеханика» / А. Л. Кислицын. Ульяновск: УлГТУ, 2001. 76 с.
6. Сергеенков, Б. Н. Электрические машины: Трансформаторы: Учебное пособие для электромеханических специальностей вузов / Б. Н. Сергеенков, В. М. Киселёв, Н. А. Акимова / под ред. И. П. Копылова. М.: Высш. шк. 1989, 352 с.
Сведения об авторах: Русских Павел Олегович,
магистрант Мурманского арктического государственного университета (МАГУ) Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, ул. Лесная, д. 29 эл. почта: RusskikhPvl@,yandex. гц
Ярошевич Вера Васильевна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра Физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта:yaг[email protected].гц
Карпов Алексей Сергеевич,
старший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра Физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта:asc_apatity@mail.гц
