CC BY
264
УДК.621.3.048.1
С.П. Конограй
ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ СТАРЕНИЯ ТВЁРДОЙ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ИХ ДИАГНОСТИКИ В РЕЖИМЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
У статті розглянутий вплив різних експлуатаційних факторів па швидкість старіння паперової ізоляції силових трансформаторів. Запропоновано уточнення формули Монтзингера для розрахунку в системах безперервного контролю відносного старіння ізоляції з урахуванням впливу вологовмісту твердої ізоляції, ступеня окислювання масла і вмісту кисню в маслі.
В статье рассмотрено влияние различных эксплуатационных факторов па скорость старения бумажной изоляции
.
контроля относительного износа изоляции с учётом влияния влагосодержания твёрдой изоляции, степени окислен-ности масла и содержания кислорода в масле.
ВВЕДЕНИЕ Надежная работа электрооборудования подстанций является одним из основных факторов, определяющих стабильное электроснабжение потребителей. В настоящее время, как в Украине, так и во всем мире, сложилась тенденция "старения" парка электрооборудования, в первую очередь - наиболее ответственного трансформаторного оборудования.
Так, по данным [1], на объектах ОАО "ФСК ЕЭС" (Россия) относительное количество силовых автотрансформаторов и шунтирующих реакторов, нормированный срок службы которых исчерпан, составляет от 18% до 45% в зависимости от класса напряжения, причем тенденция к "старению" оборудо-.
и на объектах НЭК "Укрэнерго".
На фоне старения парка трансформаторного оборудования возникают следующие задачи:
1. -ции оборудования по истечении нормированного срока его службы.
2. Объективное обоснование выбора очередности и временной последовательности переоснащения.
3. В условиях рыночных отношений меняется идеология системы обслуживания оборудования. Энерго предприятия отказываются от плановой замены и ремонта электротехнического оборудования, и переходят на систему обслуживания "по состоянию".
Для решения этих задач необходимо знание закономерностей старения электрической изоляции. Критерием оценки её состояния служит, прежде все, .
Старение изоляции в процессе эксплуатации оборудования обусловлено влиянием большого количества разных факторов. Исследования СИГРЭ [2, 3] , -( . . 1), :
-
(термического разложения);
-
( );
-
(под воздействием кислот, кислорода и др.).
Гидролиз и пиролиз целлюлозы приводят к ее деполимеризации. Оба механизма образуют фурано-
,
используются для оценки возможного снижения степени полимеризации. Оба механизма (особенно гид) . также выделение кислот и характерных газов СО и 2. -
.
Основными факторами ускоренного старения изоляции являются: повышенная температура, повышенная влажность витковой изоляции, кислород и продукты старения масла.
Существенным фактором окисления масла даже при небольшом содержании кислорода является повышенное содержание в масле металлов, особенно меди. Рассмотрим влияние некоторых из перечисленных факторов на старение изоляции.
ДЕСТРУКЦИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПИРОЛИЗА
Исследователи давно занимаются оценкой степени старения изоляции трансформаторов. Еще в конце 20-х годов XX века были проведены фундаментальные исследования ухудшения свойств изоляции в результате теплового старения. Тогда же была предложена применяемая и поныне аналитическая связь интенсивности старения с температурой изоляции.
Тепловое старение - срок службы до критической деструкции целлюлозной изоляции и деградации механических свойств бумаги. Процессы старения имеют необратимый характер [3].
В качестве показателя старения твердой изоляции трансформатора принята ее остаточная механиче-,
снижается медленнее и основной причиной повреждений состаренной изоляции в трансформаторе практически всегда является ее разрушение [2].
Определение степени деградации твердой изоляции обмоток трансформатора достаточно уверенно
( ). -
ко её определение требует отбора проб изоляции из наиболее нагревающихся частей обмотки и сопряжено со вскрытием бака, что, как правило, нежелательно, а в рабочем состоянии - вообще нереально.
В такой ситуации важную роль должны играть , -ные данные для оценки состояния изоляции.
Рис. 1. Модель старения изоляции трансформатора
Законы термического старения бумажной изоляции изучены достаточно хорошо, и на их основе разработаны методики оценки относительного износа
,
нагретой точки (ТННТ) обмотки. Эти методики основаны на законе термохимического износа Аррениуса и на соотношении Монтзингера [4].
Расчетные методы определения ТННТ изложены в ГОСТ 14209-97 [4]. Применяемый в стандарте алгоритм расчета ТННТ обмотки трансформаторов основывается на упрощенных тепловых моделях, что снижает точность расчёта. На сегодняшний день существует более современный международный стандарт 60076-7 " -
ляных трансформаторов" [5].
[6] -дель силового автотрансформатора, основанная на электрической схеме замещения тепловых процессов и учитывающая данные протоколов тепловых испы-
. -зволяет получить более точный результат расчёта температуры ННТ обмотки в режиме эксплуатации, и больше подходит для применения в системах непре-.
Применяемые в настоящее время стандарты не учитывают при расчёте износа изоляции такие экс,
, , кислорода и продуктов старения в масле.
Исследования СИГРЭ [2, 3] показывают, что влага и продукты старения масла, особенно активные , -ляции в два и более раза. Во многих случаях внутренние слои изоляции, прилегающей к проводнику, оказываются менее состаренными, чем внешние слои
изоляции, обращенные к маслу.
Поэтому разработка методики, позволяющей учитывать эти важные параметры, является актуаль-.
ДЕСТРУКЦИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ГИДРОЛИЗА
В свою очередь, темпы старения бумажной изоляции в значительной степени зависят от ее увлажненности. Влага, находящаяся в масле (растворенная ) -, -. -жения электрической прочности масла является наличие в нём растворенной влаги, однако связанная влага легко переходит в растворенную и считается целесообразным определение общей влаги в масле.
Опыт энергокомпании Ontario Hydro показал, что оценку увлажнения масла, непосредственно влияющего на состояние трансформатора, удобнее производить на основании результатов измерений относительной влажности масла в процентах насыщенного , .
Относительная влажность связана с пробивной прочностью масла, с процессом влагообмена "масло".
системах непрерывного контроля производят тонкопленочным емкостным датчиком [2, 8].
Если при влагосодержании твёрдой изоляции 0,3 % (б^овое значение) бумажная изоляция считается хорошо высушенной и имеет полный срок службы, то при влагосодержании твёрдой изоляции равном 1% скорость её старения увеличивается в 6 раз. Нормати-, -нение бумажной изоляции до 4%. При прочих равных воздействиях на изоляцию со стороны других экс-
плуатационных факторов, получим, что износ при таком увлажнении бумаги, по сравнению с базовым значением влагосодержания, возрастает в 48 раз [9].
ДЕСТРУКЦИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОКИСЛЕНИЯ
Необходимость контроля окисления масла и наличия кислорода в масле бака установлена давно. Из,
кислоты целлюлоза может быть полностью разложена на глюкозу за 1 сутки. Как уже отмечалось выше, измерения относительной влажности масла производят тонкопленочным емкостным датчиком, позволяющим проводить непрерывные измерения в режиме эксплуатации. Проведение измерений содержания кислорода в масле в режиме эксплуатации несколько , , осуществляющих непрерывный контроль газов, растворенных в масле (таких как Kelman Transfix, Serveron TrueGas и др.).
- -
мости от окисления масла и содержания в нем кислорода рассмотрено в литературе, посвящённой перера-.
1. , [3],
старения целлюлозной изоляции, в зависимости от температуры, возратает в 1,5-1,6 раза.
2.
возрастанию скорости старения целлюлозы, в зависимости от температуры масла, в 3,5-3,7 раза [3].
РАСЧЁТ ИЗНОСА ИЗОЛЯЦИИ С УЧЁТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ
Модификация формулы Монтзингера [4] для расчёта относительного износа изоляции с учётом вышерассмотренных эксплуатационных факторов для интервала времени (t0, t0+T) примет вид:
1 t0 +T
L(o,to + T)= T • \V(h, Kw, Ka, KO2 ), (1)
t0
где V - скорость относительного износа изоляции, о.е.; 0h - температура наиболее нагретой точки обмотки, °С; Kw, Ka KO2 -коэффициенты влияния влаги, растворимых кислот и кислорода соответственно, ох.
При этом скорость относительного износа изоляции с учётом влияния рассмотренных эксплуатационных факторов будет иметь следующий вид
V =
C
V w.b J
а
Ca
в
C
V a.b)
C
O2
\CO2.b )
ЄА -98
• 2 6
(2)
где Ст Са, CO2 - текущее влагосодержание твёрдой изоляции, содержание кислот, кислорода в масле соответственно, г/т; С^.ъ, СаЬ, Co2.b - базовые значения влагосодержания твёрдой изоляции, содержания кислот, кислорода в масле соответственно, г/т; а, Р, у -показатели степени, определённые в [3, 9]; 0Л - температура ННТ обмотки, °С.
ВЫВОДЫ
1. Основными задачами диагностики старения изоляции в режиме эксплуатации являются:
- выявление состояния трансформатора, при котором возможно существенное сокращение срока службы при заданной температуре ННТ (оценка сте-
, -
);
- -
ни старения изоляции, приближающейся к предельно
;
- .
2. , -
венное значение при оценке старения твердой изоляции имеет контроль ее влагосодержания, наличия растворимых кислот в масле и концентрация кислорода в нем. Эти параметры следует контролировать в создаваемых системах непрерывного контроля.
3.
теплового износа изоляции с учётом вышеуказанных эксплуатационных факторов даёт возможность в режиме эксплуатации оценить более точно старение .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дарьян J1.A. Тенденции развития диагностики состояния оборудования в электроэнергетике России / J1.A. Дарьян, АТ. Мордкович, ВБ. Смекалов, В.А. Туркот // Доклад № Д4 на 8ом Симпозиуме "Электротехника 2010". - М. 2005.
2. Алексеев Б.А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 216 .
3. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004. - 616 с.
4. ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. Введ. 30.12.98.
5. IEC 60076-7 Ed. 1:Power transformers - Part 7: Loading guide for oil-immersed power transformers, vol. 14/512/FDIS, Sept. 2005.
6. Рассальский A.H., Лучко АР., Гук А А., Конограй С.П. Применение тепловой модели силового автотрансформатора для расчёта нагрева его элементов в режиме эксплуатации // Вісник НТУ "ХПІ". Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2009. -№ 7. - С. 133-138.
7. Методические указания по определению содержания воды и воздуха в трансформаторном масле / РД 34.43.10795. М.:АО "ВНИИЭ", 1996.
8. Оценка увлажнения электрической изоляции по увлажнению масла // Electrical World. 1996. №2. P. 29.
9. Васин В.П., Долин АЛ. Оценки выработанного ресурса изоляции маслонаполненных трансформаторов. - ЭЛЕК-ТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2009, № 2.
Поступила 30.08.2009
Конограй Сергей Петрович,
Запорожский национальный технический университет " "
Украина, 69063, Запорожье, ул. Жуковского, 64 тел. (061) 289-61-39, e-mail: [email protected]
S.P. Konogray
A solid insulation ageing model application to oil-filled power transformer for operation diagnostics
The article analyzes influence of various operational factors on speed of power transformer paper insulation ageing. Accurate definition of Montsinger equation for calculation of relative insulation aging in monitoring systems adjusted for influence of the solid insulation moisture load, degree of the oil oxidability, and oxygen contentin the oil is carried out.
Key words - power transformer, insulation ageing, pyrolysis, hydrolysis, oil oxidation
Y
