CC BY
30
УДК 621.311
Разработка и исследование датчика механических примесей в трансформаторном масле
П. Г. Пуликов,
СПбГПУ, аспирант кафедры «Электроэнергетика, техника высоких напряжений»
В статье дан обзор данных по электрической прочности трансформаторного масла в зависимости от концентрации механических примесей. Разработан датчик механических примесей для применения в системах мониторинга трансформаторов.
Ключевые слова: трансформатор, мониторинг, электрическая прочность, механические примеси.
Электроэнергетическое оборудование средних и высших классов напряжения является одним из наиболее дорогостоящих и ответственных видов оборудования, применяемого на этапе производства, распределения и потребления электроэнергии. В последние годы появился ряд новых проблем, главной из которых является существенное старение парка эксплуатируемого оборудования. Например, ещё в начале 2000-х в сетях МРСК ФСК около 60 % трансформаторов класса напряжения 110 кВ и выше уже отработали свой нормативный ресурс в 25-30 лет, но при этом большая их часть имела удовлетворительное состояние твёрдой изоляции (основной фактор, определяющий реальный срок службы трансформатора). Замена таких трансформаторов представляется нецелесообразной.
Также известно, что количество трансформаторов, «доживающих» до отказов по причине термохимического старения твёрдой изоляции (естественный износовый отказ), составляет по разным источникам от 7 до 20 % [1]. Остальные 80-93 % трансформаторов отказывают вследствие развития своевременно не выявленных дефектов. Это доказывает неэффективность нормативной системы периодического контроля и ставит задачу раннего выявления появляющихся дефектов, что позволило бы не только избежать аварий, но и существенно продлить срок эксплуатации оборудования сверх нормативных значений при экономии суммарных затрат на обслуживание трансформатора. Решение этой задачи с проведением комплексных обследований, при условии применения современных методов диагностики, позволяет определить состояние обследуемого оборудования с надёжностью, достигающей 98 %. Однако такие обследования не могут проводиться часто из-за их высокой стоимости. В связи с этим особую актуальность приобретает задача разработки недорогих систем непрерывного контроля состояния оборудования. Это продиктовано тем обстоятельством, что для трансформаторов, отработавших свой нормативный (но не физический) ресурс, число быстрых и внезапных отказов доходит до 60 %. Развитие дефектов, приводящих к таким отказам, невозможно контролировать нормативными периодическими измерениями.
Актуальность решения этой задачи доказывается и тем, что системы непрерывного контроля активно развиваются для всех основных видов электрооборудования, в особенности для трансформаторов, в течение последних 20 лет как в нашей стране, так и за рубежом. Однако ни в одной из систем для трансформаторов нет полного контроля изоляционных дефектов, экономические убытки от которых доходят до 98 %.
Для выявления изоляционных проблем в трансформаторе достаточно контролировать всего три параметра: растворенные в масле газы, электрическую прочность масла (Упр) и характеристики частичных разрядов (ЧР). Напрямую прочность масла контролировать достаточно сложно; можно судить по косвенным характеристикам - влажности масла и механическим примесям. Прочность масла существенно снижается при появлении эмульгированной влаги в масле. Также известно, что увеличение механических примесей в масле снижает его
прочность (рис. 1, 2). Несмотря на это, существую-%
100
80
60
40
20
т
\ 1 2
3
20 40 60 80 100 г/м
Рис. 1. Влияние влагосодержания на электрическую прочность масла при наличии твёрдых включений (напряжение 50 Гц, температура 20 °С): 1 — для чистого масла;
2 — содержащего около 5 г/т твёрдьх включений;
3 — содержащего около 50 г/т твёрдьх включений
0
и,
о 5 0,83 •
2 / / 0,63 / 7 /
\ 1 • 0,43 // и
• 4 / \
-40
-20
0
20
40
ристики трансформаторного масла зависят от размера примесных частиц и их концентрации [6-9].
На основании систематического исследования проб масла из эксплуатирующихся трансформаторов и реакторов классов напряжения 100-735 кВ в [7] были получены типичные кривые распределения содержания твёрдых частиц в масле (было обследовано 54 мощных трансформатора и 50 реакторов). Установлено линейное соотношение между 1п(^) и 1п(ё), где N - число частиц размером больше d в единице объёма масла, и получена эмпирическая зависимость между пробивным напряжением масла и ВД,-^):
(1)
Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла марки ТКп от температуры при переменном напряжении:
1 - ^м=10 г/т, N=5 г/т;
2 - Фм=10 г/т, N=50 г/т;
3 - Ф==20 г/т, N=5 г/т;
4 - Фм=20 г/т, N=50 г/т;
5 - Фм=5 г/т, N=5 г/т
щие на сегодняшний день мониторинговые системы как отечественных, так и зарубежных производителей не предусматривают в своём составе средств контроля механических примесей в трансформаторном масле.
В рамках данной статьи рассмотрим более подробно вопрос контроля механических примесей в масле силовых трансформаторов, разработку и исследование датчика механических примесей с возможностью его применения в мониторинговых системах.
На рис. 1 приведены зависимости £пр масла от его влагосодержания при различном содержании механических примесей и при постоянной температуре [2]. Для чистого масла заметное снижение £пр начинается только при близком к насыщающему значению 50-60 г/т при 20 °С. Наличие твёрдых примесей и загрязнений приводит к снижению пробивной напряжённости масла при тем меньших значениях влагосодержания, чем выше концентрация примесей.
Примеси могут служить центром образования эмульсионной влаги [3], а также могут легко связывать химическим путём порядка 30-40 % воды из масла [4, 5]. Связанная вода не определяется обычными методами (Фишера и гидрид-кальциевым) и заметно ухудшает электрические характеристики масла [5].
Твёрдые примесные частицы снижают пробивное напряжение масла даже при его малой влажности. Такие частицы втягиваются в область наиболее сильного электрического поля и образуют мостики [6, 7]. Мостики сильно искажают поле между электродами, в связи с чем пробой жидкого диэлектрика происходит в резко неоднородном поле, что ведёт к снижению пробивного напряжения. При этом электрические характе-
где N0 - число частиц в единице объёма масла, размер которых превышает й0=1 мкм; - размер самой большой частицы в пробе масла, мкм;
и
пробивное напряжение масла, кВ.
Физический смысл полученной корреляции состоит в том, что как концентрация, так и диаметр частиц могут влиять на ипрм, причём влияние концентрации выражено более сильно.
Также проводились исследования электрической прочности трансформаторного масла от содержания диэлектрических и металлических примесей диаметром 2-300 мкм [9]. Получено, что в интервале концентраций частиц 103-106 см-3 при увеличении концентрации от N1 до N2 электрическая прочность масла убывает согласно эмпирическому выражению
где к < 0 - постоянная.
(2)
Увеличение концентрации механических примесей от 5 • 10-4 до 5 • 10-3 % вызывает снижение пробивных напряжений масла с влагосодержанием 10-20 г/т до 15 % [10]. Имеются данные о снижении ипр масла в стандартном разряднике с 80 до 50 кВ при увеличении концентрации проводящих и непроводящих примесей от 0,5 до 2,5 мг/л [8]. Фильтрация приводит к повышению электрической прочности масла. Твёрдые частицы не опасны, если их размер менее 10-15 мкм и их число не слишком велико.
Наиболее характерными для трансформаторов высших классов напряжения после 8-12 лет эксплуатации являются примеси с размерами 10-15 мкм с концентрацией от 2 до 30 см-3, но концентрация частиц с размерами 5-50 мкм может превышать 100 см-3 [10].
Электрическая прочность масла в значительной степени зависит от его температуры [3], что связано в основном с состоянием влаги в масле и с содержанием в нём примесных частиц. Совместное влияние влаги и механических примесей на £пр масла при напряжении промышленной частоты было подробно исследовано в широком диапазоне температур от -45 до +70 °С при изменении Wш от 5 до 40 г/т.
В качестве механических примесей использовались целлюлозные волокна размером 30-100 мкм с концентрацией от 5 до 50 г/т (см. рис. 2).
Было установлено, что пробивное напряжение масла снижается при уменьшении температуры ниже 20 °С в результате перехода воды в коллоидный раствор и имеет минимум в диапазоне температур -5...-10 °С, при этом прочность масла с '^м=20 г/т примерно в 3 раза ниже, чем при 20 °С. По абсолютным значениям снижение пробивного напряжения тем меньше, чем ниже влагосодер-жание масла. При Wм=5 г/т уменьшения £пр масла в исследованном диапазоне температур не наблюдалось, а при '^м=10 г/т оно было крайне незначительным. Полученные зависимости объясняются изменением растворимости воды в масле при изменении температуры [10].
Из сказанного выше видно, что электрическая прочность масла и концентрация механических примесей тесно связаны между собой. Поэтому для контроля снижения электрической прочности масла можно использовать датчик контроля растворённых в нём механических примесей.
Разработка датчика механических примесей в трансформаторном масле
В основу работы датчика механических примесей положен фотометрический метод дифференцированного подсчёта частиц определённых размерных групп.
Принцип действия наглядно продемонстрирован на рис. 3. В датчик механических примесей встроена осветительная система, образующая в поперечном направлении капилляра ярко освещённую зону в виде узкой полоски света. Фотодетектор, расположенный перпендикулярно к направлению светового потока, регистрирует изменения в его интенсивности. Частицы, взвешенные в исследуемом масле, при протекании через проточный капилляр в моменты пересечения освещённой зоны поглощают и рассеивают часть светового потока, изменяя интенсивность потока, попадающего на фотодетектор пропорционально их размерам. Изменения интенсивности пото-
ка на фотодетекторе трансформируются им в электрические импульсы. С выхода фотодетектора электрические импульсы после соответствующего усиления поступают на вход амплитудного дифференциального анализатора, где подсчитывается количество импульсов по каждому из заранее выбранных диапазонов. Поток масла обеспечивается малопроизводительным масляным насосом.
Согласно ГОСТ 17216-2001 выберем для регистрации следующие размерные группы: от 5 до 10 мкм, от 10 до 25 мкм и от 25 до 100 мкм. Для того чтобы определить эквивалентный диаметр частицы по амплитуде электрического импульса, пришедшего на регистратор от фотодетектора, нам необходимо найти калибровочный коэффициент пересчёта kd, равный отношению диаметра частицы в микронах к амплитуде напряжения на регистраторе. Чтобы найти kd, нужно для определённого трансформаторного масла, в котором находятся интересующие нас механические частицы, снять зависимость ^(ё) откалиброванным прибором, например ФС-112. Затем то же масло пропустить через разработанный датчик механических примесей и снять зависимость Щи), тогда:
К =
¿(ят)
(3)
Для упрощения схемотехнической задачи подсчёта импульсов в соответствующих диапазонах напряжений (размерных групп частиц) был применён микроконтроллер фирмы АШе1 АЬМгда32 со встроенным 10-разрядным АЦП.
Частота дискретизации АЦП настраивалась таким образом, чтобы на наименьший по длительности импульс при заданном протоке масла приходилось несколько измерений АЦП. В нашем случае была выбрана частота дискретизации величиной 10 кГц. Пример полученной осциллограммы приведён на рис. 4. Подсчёт импульсов, амплитуда которых попала в тот или иной диапазон, осуществляется в режиме реального времени. Емкость внутренних счётчиков микроконтроллера практически не ограничена.
6
Рис. 3. Принцип работы датчика механических примесей: 1 — источник света; 2 — световой поток;
3 — прозрачный капилляр; 4 - фотодетектор; 5 — масляный насос; 6 — трансформаторное масло
Проведение эксперимента
Исследуемое масло подготавливалось следующим образом: сначала в него засыпались частицы механических примесей, затем всё тщательно перемешивалось. Для создания искусственного ограничения для амплитуд получаемых импульсов трансфор-
маторное масло отфильтровывалось через сетку с ячейками размером 50 мкм.
К испытательному стенду в один масляный тракт подключался прибор регистрации механических примесей ФС-112. Подготовленное масло циркулировало по замкнутому контуру благодаря масляному насосу, обеспечивая таким образом постоянное перемешивание. За каждое измерение через измерительный тракт протекало 20 мл масла.
На ФС-112 было проведено 5 измерений. Снятая характеристика распределения механических примесей в масле МДй) приведена в табл. 1 и построена на рис. 5.
Таблица 1 Результаты измерения на ФС-112
ё, мкм N
1 2 3 4 5
5-10 48 35 43 47 57
10-25 8 12 8 8 7
25-50 0 0 2 1 1
50-100 0 0 1 0 1
100-200 0 0 0 0 0
100
10
\
\
V
\ »
\
\
V
\
\
\
\
\
\ V ■
\ \
10
^ мкм
100
(4)
Таблица 2 Результаты измерения датчиком механических примесей BVD-NT1
и, В NТ
1 2 3 4 5 6 7
0,25-0,5 28 18 25 28 21 17 21
0,5-1,25 7 9 1 7 6 5 7
1,25-2,5 0 0 0 1 0 0 0
2,5-5 0 1 0 0 0 0 0
5-10 0 0 0 0 0 0 0
Рис. 6. Распределение механических примесей ЫТ в зависимости от амплитуды импульса напряжения, снятых датчиком ВУй-ЫТ1
п=Аи- №тГьи. (5)
Подставив (4) и (5) в (3), найдём выражение для кЛ:
(6)
к сША=А1_ и{мт) д,
Рис. 5. Распределение механических примесей ЫТ в масле в зависимости от их размера < снятых ФС 112
На датчике механических примесей BVD-NT1 было проведено 7 измерений. Снятая характеристика распределения амплитуд импульсов напряжения от прохождения механических примесей через датчик ^(и) приведена в табл. 2 и построена на рис. 6.
На основании установленного ранее линейного соотношения между 1п^Т) и 1п(ё) получим
Данные, полученные в результате эксперимента, были обработаны с использованием метода наименьших квадратов. Получены следующие коэффициенты:
Аё=42 мкм, Ъё=0,471;
Аи=2,06 В, Ьи=0,567.
Учитывая тот факт, что ЪЛ и Ъи очень близки по значению, то влиянием NТ на кЛ можно пренебречь. Тогда
42
= 20мкм/В.
(7)
а поскольку ё пропорциональна амплитуде импульсов напряжения, получаемых с фотодетектора, то аналогично запишем, что
А 2,06
Зная размер и количество частиц, а также объём прокаченного через датчик масла, можно количественно определить их объёмную концентрацию. Для определения массовой концентрации нужно знать среднюю плотность регистрируемых механических частиц.
Также была проведена градуировка разработанного датчика. Результатом градуировки стал калибровочный коэффициент пересчёта кл, численно равный 20 мкм/В. В связи с этим можно предложить следующие уровни напряжений для регистрируемых размерных групп (табл. 3).
Таблица 3 Рекомендуемые уровни напряжения для регистрируемых контрольных групп
Выводы
1. При эксплуатации высоковольтных трансформаторов представляется целесообразным осуществление контроля концентрации механических примесей, влияющих на его свойства, системами непрерывного мониторинга. Но положенный в основу действующего ГОСТ 6370-83 принцип фильтрования и последующего взвешивания механических примесей не позволяет
применять его в подобных системах. Существующие на сегодняшний день приборы, основанные на фотометрическом методе дифференцированного подсчёта частиц определённых размерных групп, не предназначены для установки на трансформатор. Поэтому для контроля механических примесей в трансформаторном масле был разработан специальный датчик механических примесей, основанный на фотометрическом методе с возможностью постоянной установки на трансформатор в составе систем непрерывного контроля изоляции трансформаторов.
2. Несмотря на то, что разработанный датчик не определяет массовую концентрацию механических примесей, он служит хорошим индикатором объёмной концентрации и в случае её нарастания вовремя сигнализирует об этом. Дальнейшие действия после получения сигнала предпринимает обслуживающий персонал станции или подстанции.
3. Разработанный датчик проходит опытно-промышленную эксплуатацию в составе систем непрерывного мониторинга состояния трансформаторов на энергетических объектах (Сургутская ГРЭС-2, п/ст «Киндери», г. Казань, п/ст Районная 110/6 кВ, г. Великий Новгород, п/ст «Соломбальская», г. Архангельск, ЦРП 7, Лукойл, г. Волгоград и п/ст Кудрово, г. Санкт-Петербург).
Development and research of the sensor of mechanical impurities in transformer oil. P. G. Pulikov,
Saint-Petersburg State Polytechnical University, post-graduate student of Department of electric power, high-voltage technology
Review of the literary data on the subject of the relation between electrical strength of transformer oil and mechanical impurity is given. The sensor of mechanical impurity for implementing in transformer monitoring systems is developed.
Keywords: transformer, monitoring, electric strength, mechanical impurities.
d, мкм и, В
5-10 0,25-0,5
10-25 0,5-1,25
25-50 1,25-2,5
50-100 2,5-5
100-200 5-10
Литература
1. Монастырский А. Е., Бунин В. И., Евдокимов Я. А. Технико-экономические проблемы диагностики трансформаторного оборудования / Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. -Вып. 28. - СПб: ПЭИПК, 2005. - С. 367-372.
2. Bingelli J., Froideoux J., Kratzer R. The treatment of transformers. - Quality and completion criteria of the process. CIGRE, 1966. - № 110.
3. Сканави Г. И. Физика диэлектриков (область сильных полей). - М.: ГИФМА, 1958. - 907 с.
4. Кок И. А. Пробой жидких электроизоляционных материалов. - М.: Энергия, 1967. - 80 с.
5. Митькин Ю. А. Исследование характеристик пробоя и формирования предпробивных процессов в трансформаторном масле: Автореф. дисс. на соиск. учён. степени канд. техн. наук. - М.: МЭИ, 1973. - 23 с.
6. Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансформаторные масла. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 296 с.
7. Бондаренко П. Н. Связь изменения состояния влаги с электрическими свойствами жидких диэлектриков // Электротехника. - 1973. - № 1. - С. 38-40.
8. Баженов О. А., Митькин Ю. А., Пучковский В. В., Филиппов Г. А., Хромова Г. В. Электрофизические характеристики изоляции трансформаторов / Сб.: Повышение надёжности энергосистем. - Иваново, 1979. - С. 136-149.
9. Хромова Г. В. Некоторые закономерности изменения электрических характеристик трансформаторных масел в связи с изменением их общего влагосодержания: Автореф. дисс. на соиск. учён. степени канд. техн. наук. - Минск: БПИ, 1974. - 27 с.
10. Горячкин C. H. Частичные разряды в масляной и комбинированной изоляции при наличии в трансформаторном масле проводящих примесей и капель влаги: Автореф. дисс. на соиск. учён. степени канд. техн. наук. - Минск: БПИ, 1969. - 21 с.
