Диагностика трансформаторов методом низковольтных импульсов

Опубликовано: 30 Ноябрь 2016

Хренников А. Ю., Киков О. М.

При эксплуатации на подстанциях в энергосистемах важна достоверная и эффективная диагностика повреждений трансформаторов для выявления остаточных деформаций после аварийных режимов с наличием ударной составляющей тока короткого замыкания (КЗ). Основные методы диагностики, чувствительные к появлению остаточных деформаций обмоток трансформаторов, – это метод низковольтных импульсов (НВИ) и измерение сопротивления КЗ ZR [1, 2].
Импульсное дефектографирование (ИД), или метод низковольтных импульсов (НВИ), силовых трансформаторов известно с 1966 г. Его идея впервые предложена и опубликована польскими учеными-электротехниками Лехом и Тымински [1]. За это время дефектографирование методом НВИ стало обычным и повседневным инструментом в руках специалистов, занимающихся диагностикой и ремонтом оборудования электростанций, распределительных сетей и подстанций [1-6]. В энергосистеме ОАО Самараэнерго метод низковольтных импульсов (НВИ) используется с 1989 г. на базе установки “Импульс” изготовления ВЭИ им. В. И. Ленина. В Московском предприятии МЭС Центра также планируется обследование методом НВИ однофазных групп автотрансформаторов типа АОДЦТН-417000/750/500 производства завода Запорожтрансформатор и другого трансформаторного оборудования класса 500 кВ подмосковного региона.
Примером возникновения остаточных деформаций в результате воздействия сквозных токов КЗ может служить фотография фазы А обмотки НН трансформатора типа ТДЦ-250000/220, иллюстрирующая потерю радиальной устойчивости обмотки (рис. 1). Данный головной образец проходил электродинамические испытания на стойкость токам КЗ на мощном испытательном стенде ВЭИ им. В. И. Ленина в городе Тольятти в конце 80-х годов. Изменение сопротивления КЗ ZR, соответствующее данным деформациям, составило ΔΖΧ = +1%.
Силовые трансформаторы методом НВИ обследовались в энергосистеме в плановом порядке, после аварийных режимов с токами КЗ, вновь вводимые и после восстановительных ремонтов на заводе. Всего проверено более 70 силовых трансформаторов мощностью от 10 до 240 МВ-А, напряжением 110 – 220 кВ однофазного и трехфазного исполнения [5 - 7]. Обнаружено шесть трансформаторов с внутренними повреждениями, разрушением вводов и с остаточными деформациями обмоток после протекания сквозных токов КЗ с наличием апериодической составляющей тока КЗ. В том числе трансформатор ТРДН-32000/110 после длительного КЗ на стороне 6 кВ [2]; типа ТРД-20000/35 после КЗ на стороне 6 кВ, в результате которого произошло витковое замыкание и замыкание на магнитопровод обмотки НН2; типа ТДТН-40000/110 после КЗ на стороне 35 кВ; однофазный автотрансформатор типа АОДТГ- 60000/220/110 (фаза А) после разрушения ввода, сопровождавшегося срабатыванием дифференциальной и газовой защит; автотрансформатор АТДЦТНГ-63000/220/110 после КЗ; трансформатор ТДЦ-80000/110 после КЗ на стороне генератора (таблица).
Обследование методом НВИ двух трансформаторов типа ТДН-10000/110 после КЗ на стороне 10 кВ не выявило каких-либо деформаций в обмотках после КЗ [5 - 7]. Однако в дальнейшем один из трансформаторов был выведен из работы в связи с повышенным газообразованием, ухудшением данных хроматографического анализа растворенных в трансформаторном масле горючих газов (ХАРГ) и, предположительно, замыканием листов электротехнической стали магнитопровода (“пожар в железе”).
Примеры обнаружения методом НВИ остаточных деформаций в обмотках трансформатора 40 МВ-А, 110 кВ и автотрансформатора 63 МВ-А, 220/110 кВ после нескольких КЗ рассмотрены в [6].
Трансформатор типа ТРДН-32000/110 эксплуатировался для питания собственных нужд ТЭЦ. После длительного КЗ на стороне 6 кВ были проведены измерения методом НВИ и сопротивления КЗ ZR. В осциллограммах НВИ обмотки НН фазы с2 были обнаружены по сравнению с нормограммами, снятыми ранее, значительные амплитудночастотные изменения от 0,4 до 0,8 В. Значение индуктивного сопротивления КЗ для каждой из пяти параллелей обмоток НН1 и НН2 составило порядка 69,5 Ом при измерении по схемам ВН-НН1 и ВН-НН2 [2].
Для деформированной фазы с2 сопротивление КЗ превысило это значение на 5%.
фаза А обмотки НН трансформатора типа ТДЦ-250000/220
Рис. 1. Фотография фазы А обмотки НН трансформатора типа ТДЦ-250000/220, иллюстрирующая потерю радиальной устойчивости обмотки

На основании результатов измерений был сделан вывод о наличии остаточных деформаций в обмотке НН трансформатора и невозможности его дальнейшей эксплуатации. Диагноз повреждения трансформатора мощностью 32 ΜΒ·Α подтвержден разборкой, он своевременно выведен из работы, предотвращена аварийная ситуация, удалось избежать ущерба от возможного перерыва в электроснабжении [2].
Для блочного трансформатора типа ТДЦ 80 ΜΒ·Α, 110 кВ со схемой соединения обмоток Y/Δ/Δ в плановом порядке были сняты нормограммы НВИ по традиционной схеме для обмотки ВН, по взаимным схемам ВН-НН1 и ВН-НН2, по взаимной схеме НН1-НН2.
После КЗ на стороне генератора 6 кВ с током короткого замыкания в обмотке НН трансформатора 1кз ни = 28 + 32 кА были сняты дефектограммы НВИ. При сравнении и анализе нормограмм и дефектограмм, снятых по наиболее информативной для данного места предполагаемого повреждения (обмотки НН) схеме НН1-НН2, выявлено, что в дефектограммах произошли серьезные изменения по амплитуде и частоте. По результатам измерений НВИ сделан вывод о появлении в обмотке НН трансформатора остаточных деформаций, которые пока не препятствуют его дальнейшей эксплуатации [5-7].
Используя соответствующее программное обеспечение для осциллограмм обмотки НН трансформатора 80 МВ-А, 110 кВ, снятых по взаимной схеме НН1-НН2, был проведен спектральный анализ с использованием быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform). При анализе спектров сигналов обмотки НН для рассмотрения брался диапазон частот от 0 до 1,5-2 МГц. В спектрах сигналов произошло исчезновение частот 300, 500, 700 кГц и появление после КЗ новых резонансных частот 400, 800 кГц (рис. 2).
Спектры сигналов обмотки НН трансформатора 80 MB A
Рис. 2. Спектры сигналов обмотки НН трансформатора 80 MB A, 110 кВ до (1) и после (2) КЗ:
а – для осциллограмм a – b; б – для осциллограмм a – c; в – для осциллограмм b – c результаты измерений показывают, что в обмотках НН

Данные возникли остаточные деформации предположительно с преимущественной потерей осевой устойчивости.
Анализ процессов, происходящих в обмотках силового трансформатора при КЗ, значительно облегчается и становится более наглядным с использованием спектрального анализа сигналов обмотки до и после КЗ [2 - 7]. Спектральный анализ сигналов обмотки силовых трансформаторов дает возможность оценивать изменение частотного спектра в результате воздействия токов КЗ.
НВИ обмотки НН автотрансформатора типа АОДТГ-60000/220/110
Рис. 3. Однофазные осциллограммы НВИ обмотки НН автотрансформатора типа АОДТГ-60000/220/110:
a – осциллограммы фаз a, b, с параллелей НН1 и НН2; 6 – совмещенные осциллограммы фаз a, b параллелей НН1 и НН2, иллюстрирующие наличие остаточных деформаций на фазе а; в – совмещенные осциллограммы фаз b, с параллелей НН1 и НН2, иллюстрирующие отсутствие остаточных деформаций

По осциллограммам НВИ возможна лишь качественная оценка  изменений в обмотке силовых трансформаторов по изменению частоты и амплитуды, что затрудняет постановку диагноза повреждения (рис. 3). При постановке диагноза предположительного повреждения по результатам НВИ необходимо использовать накопленный опыт дефектографирования и Каталог повреждений силовых трансформаторов, составленный по результатам электродинамических испытаний, проводившихся в ВЭИ им. В. И. Ленина и на мощном испытательном стенде (МИС) в г. Тольятти [3-7].
Положительные примеры использования спектрального (частотного) анализа или Frequency Response Analysis (FRA) специалистами National Grid Company (Великобритания) приведены в [7]. Frequency Response Analysis (FRA) широко используется в странах Западной Европы и Северной Америки для мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов. У истоков метода FRA стоит доктор Р. Малевски, предложивший рассчитывать частотные спектры или передаточную функцию обмотки по осциллограммам тока и напряжения трансформатора [3].
Однофазный автотрансформатор типа АОДТГ 60 МВ-А, 220/110 кВ (фаза А) обследовался методом НВИ после пожара и разрушения ввода, сопровождавшихся срабатыванием дифференциальной (ДЗ) и газовой защит (ГЗ). Анализ осциллограмм импульсного тока обмотки СН (110 кВ) показал высокую сходимость по фазам в осциллограммах при некотором отличии осциллограмм импульсного тока фазы Ат. Анализ осциллограмм НВИ обмотки НН показал хорошее совпадение осциллограмм импульсного тока фаз b и с обмотки при значительном отличии фазы а (рис. 3).
Зафиксированное отличие осциллограмм импульсного тока фазы а, вероятно, является следствием КЗ (запись в журнале аварийных отключений: зафиксировано срабатывание ДЗ и ГЗ). Это свидетельствует о наличии остаточных деформаций в обмотке НН фазы а [5-7].
Таким образом, проблема электродинамической стойкости обмоток силовых трансформаторов остается на сегодняшний день достаточно актуальной для энергосистем РАО “ЕЭС России”. Метод низковольтных импульсов (НВИ) и измерение сопротивления КЗ – это основные методы диагностики, чувствительные к появлению остаточных деформаций обмоток силовых трансформаторов. ПРП АО Самараэнерго будет продолжать вести контроль методом НВИ за дефектными трансформаторами и проводить обследование в плановом порядке. По результатам НВИ для дефектных трансформаторов рекомендовано вести более тщательный контроль за параметрами обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации, используя данные хроматографического анализа растворенных в трансформаторном масле горючих газов (ХАРГ) и другие изоляционные характеристики (Rиз, tg δ и др.) на случай развития электрического повреждения в месте деформации витков обмотки, а при очередном капремонте трансформатора провести осмотр активной части дефектных фаз и проверить состояние каналов между внешней и внутренней обмотками ВН и НН на предмет обнаружения остаточных деформаций.

Следует отметить, что трансформаторы с обнаруженными остаточными деформациями в их обмотках могут нормально эксплуатироваться еще в течение многих лет, хотя в месте деформированных витков идут процессы развития частичных разрядов (ЧР) в изоляции и, как следствие, ухудшаются результаты хроматографического анализа растворенных горючих газов в трансформаторном масле (ХАРГ). Тем не менее, в случае следующего серьезного КЗ с наличием апериодической составляющей в токе замыкания наиболее вероятен аварийный выход из строя трансформатора с тяжелыми последствиями: витковое замыкание в обмотке, сопровождаемое выбросом масла и пожаром.

Трансформатор

Диагностика НВИ

Объект

Причина
повреждения
(деформации)

Характер
повреждений
(деформаций)

Результаты измерений

НВИ

Мк

ТРДН-32000/110

Повторная

ТЭЦ ВАЗ

Длительное КЗ на стороне 6 кВ

Остаточные деформации в обмотке НН2 (подтверждено разборкой)

Амплитудно-частотные изменения в осциллограммах НВИ от 0,4 до 0,8 В

ΔΖ; ( между фаз равно 5%

ТРД-20000/35

Первичная

Тольяттинская
ТЭЦ

КЗ на стороне 6 кВ

Витковое замыкание и замыкание на магнитопровод обмотки НН2

Значительное отличие осциллограмм НВИ фаз а и с обмотки НН; вырождение в прямую линию осциллограммы фазы b

Не измерялось

ТДТН-40000/110

Первичная

П/ст. Кряжская

После КЗ на стороне 35 кВ (попадание белки)

Остаточные деформации в обмотках СН и НН

Некоторое отличие осциллограмм НВИ фаз Am обмотки CH; отличие осциллограмм НВИ фазы с обмотки НН

ΔΖ^η сн:
+ 2,2% – фаза A + 0,23%- фаза B + 0,3% – фаза C ΔΖ^η нн:
+ 2,1% – фаза A + 2,2% – фаза B + 1,4% – фаза C

АОДТГ-
60000/220/110

Первичная

П/ст. Кинель

После разрушения ввода, срабатывания ДЗ и ГЗ

Остаточные деформации в обмотке НН фазы а

Значительное отличие осциллограмм НВИ фазы а обмотки НН

-

ТДЦ-80000/110

Повторная

ТЭЦ ВАЗ

После КЗ на стороне 6 кВ генератора
/кзнн = 28 + 32 кА

Остаточные деформации в обмотке НН

Значительные амплитудно-частотные изменения в дефектограммах НВИ взаимной схемы НН1-НН2

ΔΖ^η-ηη: -4,6% – фаза A -2,4% – фаза B -2,9% – фаза С

ТДН-10000/110

Первичная

П/ст. Сергиевская

После КЗ на стороне 10 кВ

Остаточные деформации отсутствуют (“пожар в железе”)

Незначительные отличия в осциллограммах НВИ между фазами

-

ТДН-10000/110

Первичная

П/ст. Кошкин- ская

После КЗ на стороне 10 кВ

Остаточные деформации отсутствуют

То же

-

ТРДНС-25000/10

Первичная

Тольяттинская
ТЭЦ

После срабатывания газовой защиты на сигнал

Остаточные деформации отсутствуют (повреждение переключателя РПН)

“ ”

ΔΖ^ = 1,43%

АТДЦТНГ-
63000/220/110

Повторная

Чапаевские электросети

После нескольких КЗ, после взрыва ввода 220 кВ

Остаточные деформации вольто-
добавочной обмотки (ВДО)

Амплитудно-частотные изменения в осциллограммах НВИ всех трех фаз обмотки ВДО

-

Примечание. Подстанции Кряжская, Кинель, Сергиевская, Кошкинская в Самарских электрических сетях.

Поэтому назрела необходимость снятия нормограмм низковольтных импульсов (НВИ) всех вновь изготовленных на заводе ОАО “Трансформатор” и на других заводах силовых трансформаторов мощностью свыше 2500 кВ*А, чтобы иметь базу данных о механическом состоянии обмоток трансформаторов на будущее для обследования у заказчика, например в энергосистеме, в случае потенциального КЗ.
Первым таким положительным примером является снятие нормограмм НВИ автотрансформатора типа АТДЦТН-125000/220/110 зав. № 90415 Брянскэнерго, которое проводилось по инициативе ЗАО “ДИАРОСТ” после восстановительного ремонта с заменой обмоток и главной изоляции на площадях завода ОАО “Трансформатор”.
Опыт диагностики показывает, что заводской паспорт трансформатора помимо стандартных характеристик должен содержать: нормограммы НВИ, первичные данные по ЧР, нормограммы тепловизионного контроля, снятые во время тепловых испытаний, и данные по остаточной прессовке обмоток, полученные каким-либо виброакустическим методом.
Обследование методом низковольтных импульсов необходимо проводить параллельно с измерением сопротивления КЗ трансформатора, что может быть достаточно эффективным при постановке диагноза повреждения, и что видно из рассмотренных в данной статье примеров. В связи с этим необходимо пофазное измерение ик (ZR) на заводеизготовителе, так как в настоящее время в заводском паспорте приводится лишь одно усредненное по фазам значение ик.

Выводы

  1. Метод низковольтных импульсов – наиболее чувствительный метод диагностики остаточных деформаций обмоток силовых трансформаторов, возникающих в результате коротких замыканий.
  2. Назрела необходимость снятия нормограмм НВИ всех вновь изготовленных на заводе ОАО “Трансформатор” и на других заводах силовых трансформаторов мощностью свыше 2500 кВ-А для обследования в энергосистеме в случае потенциального КЗ.
  3. Обследование методом НВИ необходимо проводить параллельно с измерением ZR трансформатора, что дает необходимый эффект при постановке диагноза повреждения и что подтверждается рассмотренными в статье примерами. В связи с этим необходимо пофазное измерение ик (ZR) на заводе-изготовителе, так как в настоящее время в заводском паспорте приводится лишь одно усредненное по фазам значение ик.
  4. В ОАО Самараэнерго методом НВИ выявлено 6 трансформаторов с остаточными деформациями обмоток после КЗ, в том числе трансформатор типа   ТДТН-40000/110, автотрансформатор АТДЦТНГ-63000/220/110, автотрансформатор типа АОДТГ-60000/220/110 (фаза А), трансформаторы типа ТДЦ-80000/110, ТРД-20000/35 и ТРДН-32000/110.
  5. Диагноз повреждения трансформатора 32 МВ-А, 110 кВ подтвержден разборкой, он выведен из работы, исключен ущерб от перерыва в электроснабжении.
  6. Трансформатор 20 МВ-А, 35 кВ был отправлен для ремонта на завод ОАО “Трансформатор”, где выполнен восстановительный ремонт с заменой обмоток.
  7. По результатам НВИ для дефектных трансформаторов 40 МВ-А, 110 кВ, автотрансформаторов 63 МВ-А, 220/110 кВ и 60 МВ-А, 220/110 кВ, трансформатора 80 МВ-А, 110 кВ рекомендовано: вести более тщательный контроль за параметрами обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации, используя ХАРГ и другие изоляционные характеристики;
    при очередном капремонте трансформатора провести осмотр активной части дефектных фаз и проверить состояние каналов между внешней и внутренней обмотками на предмет обнаружения деформаций верхних витков, доступных для визуального осмотра.
  8. Спектральный (частотный) анализ сигналов обмотки силовых трансформаторов дает возможность более эффективно оценивать механическое состояние обмоток силовых трансформаторов в результате воздействия токов КЗ. По осциллограммам НВИ возможна лишь качественная оценка изменений в обмотке силовых трансформаторов по изменению частоты и амплитуды.
  9. Назрел вопрос об обязательном проведении во всех АО-энерго РАО “ЕЭС России” дефектографирования методом НВИ всех силовых трансформаторов, которые подвергались воздействию КЗ, вновь вводимых трансформаторов и трансформаторов после капитального и восстановительного ремонтов.

Список литературы

  1. Lech W. and Tyminski L. Detecting transformer winding damage by the Low Voltage Тmethod. – Electrical Review, 1966, №21, Vol. 179.
  2. Хренников А. Ю., Шлегель О. А., Запорожец М. И. Диагностика повреждений силовых трансформаторов, находящихся в эксплуатации на ТЭЦ Волжского автозавода. – Электрические станции, 1994, № 2.
  3. Monitoring of Winding Displacements in HV Transformers in Service / Malewski R., Khrennikov A. Yu., Shlegel O. A., Doolov A. G. CIGRE, Italy, Padua, 1995, 4-9 Sept.
  4. Хренников А. Ю., Шлегель О. А. Диагностика повреждений и методика обработки результатов измерений силовых трансформаторов при динамических испытаниях и в эксплуатации. – Электротехника, 1997, № 2.
  5. Khrennikov A. Yu. Short-circuit performance of power transformers. LVI Test experience at Samaraenergo Co and at Power Testing Station in Togliatti, including fault diagnostics. CIGRE, Hungary, Budapest, 1999, 14 – 17 June.
  6. Тепловизионный контроль генераторов и импульсное дефектографирование силовых трансформаторов / Хренников А. Ю., Еганов А. Ф., Смолин А. Ю., Щербаков В. В., Языков С. А. – Электрические станции, 2001, № 8.
  7. Lapworth J. A. and McGrail A. J. Transformer Winding Movement Detection by Frequency Response Analysis (FRA). Sixty-Sixth Annual International Conference of Doble Clients, 1999, April.

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки: ,

Оставить отзыв