Тестовая диагностика корпусной изоляции распределительных трансформаторов АПК Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.314.222.6

1 2 А.С. Серебряков , Д.А. Семенов

ТЕСТОВАЯ ДИАГНОСТИКА КОРПУСНОЙ ИЗОЛЯЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ

ТРАНСФОРМАТОРОВ АПК

Нижегородский филиал Московского государственного университета путей сообщения1, Нижегородский государственный инженерно-экономический институт2

Предложено устройство для диагностики состояния корпусной изоляции распределительных трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению.

Ключевые слова: диагностики высоковольтной изоляции, заряд абсорбции, ток абсорбции, напряжение саморазряда, возвратное напряжение постоянные времени саморазряда, схема замещения корпусной изоляции трансформатора, износ изоляции.

Распределительные трансформаторы напряжением 6-10 кВ являются одним из важнейших устройств систем электроснабжения объектов АПК. Трансформаторы, как и другие электрические машины и аппараты могут нормально работать лишь с исправной изоляцией. В процессе эксплуатации из-за увлажнения, перегрева, динамических нагрузок и перенапряжений происходит общее старение изоляции, т.е. ухудшение ее физико-химических характеристик. В изоляции возникают распределенные и местные (сосредоточенные) дефекты, которые в конечном итоге приводят к пробою.

Ресурс изоляции, как правило, определяет и ресурс трансформаторов. Многочисленные исследования показали, что в подавляющем числе случаев причиной отказов распределительных трансформаторов является нарушение работы его изоляционной системы. При этом более 25% отказов приходится на долю корпусной изоляции.

Чтобы своевременно выявлять развивающиеся дефекты и не допускать внезапных пробоев электрической изоляции, свойства ее в процессе эксплуатации периодически проверяют. Такие мероприятия обеспечивают поддержание необходимой степени надежности электрооборудования в процессе его эксплуатации. Периодический контроль с целью прогнозирования расходования ресурса трансформаторного оборудования необходим и для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Это особенно важно на современном этапе эксплуатации энергетических систем, когда более 70% основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами.

Периодичность и нормы испытаний устанавливаются стандартами, Правилами технической эксплуатации и ведомственными инструкциями для каждого вида оборудования. При такой системе обслуживания контроль и ремонт оборудования производят по времени эксплуатации.

Как показывает практика, такая система технического обслуживания не является оптимальной. Большие резервы повышения эффективности эксплуатации трансформаторов и другого электрооборудования заложены в системе обслуживания по реальной потребности или по реальному техническому состоянию. Переход к такой системе невозможен без использования современных приборных средств, основанных на надежных и научно обосно-

© Серебряков А.С., Семенов Д.А., 2011.

ванных методах выявления дефектов и оценки технического состояния изоляции. Эти вопросы решает техническая диагностика [1, 2].

Одним из эффективных неразрушающих методов тестового контроля состояния главной изоляции является метод, основанный на использования явления абсорбции. Известно, что о состоянии изоляции и степени ее старения судят по току абсорбции, или точнее, по коэффициенту абсорбции, который определяют как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к пятнадцатисекундному значению ее.

Коэффициент абсорбции дает объективную оценку состояния изоляции, так как учитывает заряд абсорбции. Однако контроль заряда абсорбции по току абсорбции неудобен тем, что ток абсорбции мал и промышленные помехи сильно искажают его. Поэтому удобнее пользоваться другими методами обнаружения явления абсорбции. Так, например, на практике можно применить метод измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения. Рассмотрим подробнее эти явления.

С учетом электропроводности и поляризации схема замещения изоляции в простейшем случае может быть представлена как параллельное соединение резистора Я и конденсатора С (рис. 1, а). Если зарядить конденсатор С, зашунтированный резистором Я, до напряжения и0 (переключатель Р1 в положении 1), а затем отключить его от источника напряжения и оставить разомкнутым (переключатель Р1 в положении 2), то конденсатор С будет постепенно разряжаться на резистор Я. При этом напряжение на конденсаторе ис, называемое

напряжением саморазряда, измеряемое измерителем напряжения И2, будет изменяться по закону затухающей экспоненты (рис. 1, б):

ис = и0в т. (1)

Величину т = КС называют постоянной времени саморазряда конденсатора С. Она измеряется в секундах и равна тому промежутку времени, в течение которого напряжение на конденсаторе С уменьшится в е=2,718 раза и составит 0,368и0. Чем больше постоянная времени, тем медленнее идет процесс саморазряда. Если представить себе, что в качестве изолятора используется диэлектрик прямоугольной формы, площадь поперечного сечения которого £, а толщина И, то формула для постоянной времени т примет вид:

т = RC = pVh-MZ V S h

= £0£r Pv •

(2)

Здесь ру - удельное объемное сопротивление диэлектрика, 80 - электрическая постоянная, гг -относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Из формулы (2) следует важный вывод: постоянная времени саморазряда изоляции т = КС не зависит от геометрических размеров изоляции, а определяется исключительно свойствами изоляции вг и ру. Более строгий анализ показывает, что постоянная времени не зависит и от формы изоляции.

Рис. 1. Схема для измерения напряжения саморазряда (а) и зависимость напряжения саморазряда от времени (б)

В действительности главная или корпусная изоляция силовых трансформаторов состоит из нескольких изоляционных элементов, различных по конструкции и по электрическим параметрам. Комбинация нескольких диэлектриков с разными электрическими параметрами позволяет получить наиболее благоприятные свойства изоляционной конструкции. Это обстоятельство делает главную изоляцию неоднородной. Поэтому корпусная изоляция представляется схемой замещения, состоящей не из одного слоя, а из нескольких слоев, каждый из которых имеет свое сопротивление, емкость и постоянную времени.

Для упрощения анализа процессов представим схему замещения корпусной изоляции, как простейшую модель неоднородного диэлектрика, состоящего из двух слоев, обладающих различными сопротивлениями Я1 и Я2 и емкостями С1 и С2 (рис. 2, а). В действительности число слоев может быть равно трем и более. Для модели двухслойной изоляции после отключения ее от источника напряжения заряженные конденсаторы С1 и С2 слоев неоднородной изоляции будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев Я1 и Я2. Напряжение саморазряда будет равно сумме напряжений на отдельных слоях изоляции, то есть будет равно сумме экспонент:

и.

с = итв + и02в ^ = итв + и02в . (3)

Если изоляция заряжалась в течение длительного времени, то напряжения на слоях в начальный момент времени саморазряда будут прямо пропорциональны значениям активных сопротивлений слоев:

и01 = ^, и02 =и0^ = ад . (4)

К1 + К2 ^0 К1 + К2 ^60 Здесь Я60 = Я1 + Я2 - одноминутное значение сопротивления изоляции.

Зная зависимость ис от времени, можно в соответствии с выражением (3) определить начальные напряжения ио1, ио2, т1 и т2. Далее по ним можно рассчитать параметры схемы замещения Я1, Я2, С] и С2. Значения этих параметров позволят рассчитать ток абс 2

сорбции, заряд абсорбции, коэффициент абсорбции, tg8 и отношение -, не измеряя их

С 50

непосредственно. Например, поглощенный заряд абсорбции на границе раздела двух сред можно вычислить по формуле

_ и0 (^2С2 - К1С1) /гч

Угр = Я1 + Я2 • (5)

Полученные параметры существенно различаются в зависимости от степени старения изоляции и позволяют объективно судить о ее состоянии. Однако о состоянии изоляции можно судить без вычисления указанных параметров, а непосредственно по измеренным значениям напряжения саморазряда и возвратного напряжения. Поясним сказанное подробнее.

За счет разной поляризации слоев от источника напряжения к изоляции в течение непродолжительного времени притекает ток абсорбции, который измеряют измерителем тока И1 (рис. 2, а). За счет тока абсорбции на границе раздела слоев накапливается объемный заряд внутреннего поглощения (заряд абсорбции). Следовательно, о процессе абсорбции можно судить не только по току абсорбции, но и по накопленному (поглощенному) заряду абсорбции, который создает возвратное напряжение.

Опыт, в котором наблюдается возвратное напряжение, состоит в следующем (рис. 2, а). Неоднородная изоляция заряжается в течение одной минуты при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции (переключатели Р1 и Р2 замкнуты). Затем изоляция

г

г

г

г

отключается от источника постоянного напряжения (переключатель Р1 разомкнут) и ее электроды замыкаются переключателем Р2 накоротко на очень малый промежуток времени At, после чего вновь размыкаются. За время Дt геометрическая емкость СГ полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный на границе слоев, остается практически неизменным. Этот заряд распределится на обе емкости и зарядит их до одинакового напряжения иов. После

размыкания внешних электродов изоляции емкости С1 и С2 вновь оказываются соединенными последовательно. Емкости С1 и С2 будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев Я1 и Я2 с разной скоростью, так как постоянные времени слоев Я1С1 и Я2С2 неодинаковы. На изоляции появится напряжение ив, равное разности двух экспонент (рис. 2, б):

ив = U0Вe

t

2C2 _ U e

U 0В e

. (6) Это напряжение и называют возвратным напряжением. Его измеряют измерителем И2. По значению и форме возвратного напряжения можно судить о состоянии изоляции.

Рис. 2. Принципиальная схема устройства для измерения возвратного напряжения и напряжения саморазряда (а) и зависимость возвратного напряжения от времени

В

2000

1500

1000

500

0

ис

S1-«- Э-е- t 5---!

10

20

30

40

50

Рис. 3. Кривые напряжения саморазряда нового трансформатора (кривая 1) и трансформатора после 28 лет эксплуатации (кривая 2)

Для измерения рассмотренных выше параметров: сопротивления изоляции, кривой саморазряда и возвратного напряжения авторами в соответствии со схемой 2, а разработано устройство, которое снабжено программируемым микроконтроллером и позволяет измерять параметры изоляции в течение одной минуты через каждую секунду

На рис. 3 показаны зависимости напряжения саморазряда для нового трансформатора при вводе его в эксплуатацию (кривая 1) и после 28 лет эксплуатации (кривая 2). Кружками на рис. 3 показаны измеренные значения.

Исследования показывают, что кривую 2 на рис. 3 можно аппроксимировать суммой трех экспонент:

и

с(2) = ume x1 + и02е х2 + июе х3 =1504e0,5 + 764e 5 + 232e30 . (7)

Три экспоненты соответствуют трем слоям изоляции: первая экспонента с постоянной времени т1 =0,5 с соответствует слою трансформаторного масла, вторая экспонента с постоянной времени т2 =5 с соответствует барьеру между обмотками и третья экспонента с постоянной времени т3 =30 с соответствует изоляции обмотки. Эти три слоя изоляции имеют соответственно сопротивления изоляции:

R = ^ R = 1504145 = 87,2 МОм ;

1 U0 450 2500

R2 = U°2 R60 ^-Z6i145 = 44,3 МОм;

2 U0 ™ 2500

U 232

R = U°3 Rfin =-145 = 13,5 МОм.

3 U0 60 2500

Здесь R0 = 145 МОм - одноминутное значение сопротивления изоляции рассматриваемого трансформатора.

Электрические емкости указанных слоев изоляции равны:

с = — = -05 = 0,0057 мкФ ;

1 R1 87,2

т2 5

с2 = — =-= 0,113 мкФ ;

2 R2 44,3

C3 = — = -30- = 2,22 мкФ .

3 R3 13,5

По известным параметрам схемы замещения можно определить протекание абсорбционных процессов. Однако наиболее ярко их проявления можно наблюдать при измерении возвратного напряжения.

На рис. 4 показаны зависимости возвратного напряжения тех же трансформаторов: нового трансформатора при вводе его в эксплуатацию (кривая 1) и после 28 лет эксплуатации (кривая 2). Зависимости на рис. 3 и 4 измерены при температуре трансформатора 28°С.

Как показали исследования, наиболее информативным является напряжение саморазряда, измеренное на 15 секунде и возвратное напряжение, измеренное на 30-й секунде после начала измерения, которые обозначают ис15 и ив30.

Из рис. 3 и рис. 4 видно, что в течение срока эксплуатации изоляция стареет и напряжение саморазряда и возвратное напряжение снижаются (напряжение саморазряда ис15

-t

-t

-t

-t

-t

-t

снижается примерно на 28-30 В за год, а возвратное напряжение ив30 - примерно на 6-7 В за год). Существенно изменяется и момент времени, при котором наблюдается максимум возвратного напряжения.

Трансформаторы, у которых ис15 меньше 100 В и ив30 меньше 15 В следует считать изношенными по изоляции более чем на 80% и при возможности заменять их новыми трансформаторами.

Итак, о старении изоляции без ее разрушения, как показали исследования, можно судить по характеру процессов поляризации, а именно по величине возвратного напряжения. С увеличением срока эксплуатации изоляция изнашивается, ее электрическая прочность снижается. С ростом эксплуатации уменьшается и возвратное напряжение, которое может характеризовать состояние изоляции даже лучше чем пробивное напряжение, которое характеризует лишь кратковременную прочность изоляции и в ряде случаев она может быть достаточно высокой. Однако электрическая прочность при длительном воздействии напряжения оказывается недостаточной из-за ухудшившихся электрических характеристик изоляции. В частности, в процессе старения изоляции увеличиваются диэлектрические потери, которые могут привести к тепловому пробою изоляции при длительном приложении напряжения.

В

200

150 100

50

о

10 20 30 40 50 г

Рис. 4. Кривые возвратного напряжения нового трансформатора (кривая 1) и трансформатора после 28 лет эксплуатации (кривая 2)

Для каждого вида изоляции существует свой внутренний ресурс, который характеризуется способностью изоляции в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему воздействию процессов, протекающих при этом напряжении.

Внутренний ресурс у каждого вида новой изоляции есть величина постоянная, и естественно он постепенно уменьшается с ростом срока службы. Уменьшается и возвратное напряжение. Следовательно, величина возвратного напряжения в настоящее время лучше, чем какой-либо другой параметр характеризует изношенность изоляции.

В заключении отметим, что при неразрушающих испытаниях для оценки качества изоляции большое значение имеет изменение ее характеристик во времени. Поэтому с повышением частоты контроля увеличивается вероятность своевременного выявления дефектов.

Библиографический список

1. Объем и нормы испытаний электрооборудования / под общей ред. Б.А. Алексеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамиконянца. - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2001. - 256 с.

2. Серебряков, А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / А.С. Серебряков. - М.: Маршрут, 2005. - 280 с.

Дата поступления в редакцию 18.10.2011

A.S. Serebryakov. D.A. Semenov

TEST DIAGNOSTICS OF FRAME INSULATION OF DISTRIBUTING TRANSFORMERS IN AGRIBUSINESS INDUSTRY

There was proposed the facility for diagnostics at self-discharge voltage and back voltage in frame insulation of distributing transformers.

Key words: diagnostics of high-voltage insulation, absorption charge, absorption current, self-discharge voltage, back voltage, characteristics time of self-discharge, equivalent network of frame insulation of transformer, insulation deprecation.