Оценка механического состояния обмоток крупных трансформаторов

Опубликовано: 30 Ноябрь 2016

Осотов В. Н.,   Рущинский В. Н., Рущинский В. В.,  Смыслов В. П.,   Ульянова. М.

Оценка механического состояния обмоток крупных трансформаторов

Известно, что в процессе эксплуатации трансформаторов вследствие старения и усадки изоляции, существенной вибрации и релаксации системы прессовки происходит ослабление усилия поджатая обмоток. В случае короткого замыкания в сети это приводит к деформации витков (из-за электродинамических усилий, возникающих в обмотках), их замыканию и, как следствие, выходу трансформатора из строя. Однако, если механическое состояние обмоток и свойства изоляции трансформатора удовлетворительные, то замена таких трансформаторов на новые объективно не оправдана. В большинстве случаев целесообразнее провести комплекс профилактических мероприятий, в том числе, при необходимости, подпрессовку обмоток.
До последнего времени проверенных и апробированных методов безразборной оценки усилия прессовки обмоток трансформаторов без их разборки просто не существовало. Широко используемые в настоящее время методы диагностики геометрии обмоток – зондирование низковольтными импульсами [1] и измерение сопротивления короткого замыкания, лишь фиксируют существенные изменения геометрических размеров обмоток вследствие их деформации и не дают возможности своевременно выявлять причину их появления – снижение усилия запрессовки обмоток. Для решения этой задачи были рассмотрены два принципиально различных варианта.
Первый вариант – оценка усилия прессовки по вибрационному портрету работающего трансформатора. Были обследованы более 70 трансформаторов ОАО Свердловэнерго при различных режимах работы. Затем в условиях трансформаторного цеха Свердловэлектроремонта были испытаны трансформаторы АОДЦТН-267000/500 и типа ТМН-2500/110 при различных усилиях прессовки обмоток в режимах XX и КЗ. Для поиска диагностических критериев проанализированы спектральные характеристики виброускорений (амплитудные спектры, спектры плотности мощности в диапазоне частот 5- 1000 Гц с разрешением по частоте около 1 Гц) по 27 измерительным точкам, размещенным на баке и днище трансформатора.
Основные результаты следующие:
с увеличением усилия прессовки происходит уменьшение “веса” гармоники виброускорения 100 Гц и увеличение “веса” высших гармоник 200, 400, 500, 600 Гц;
количественную оценку связи между усилием прессовки и распределением амплитуд гармоник установить не удалось.

 
Изменение параметров вибрации трансформатора в зависимости от усилия прессовки главным образом связано с изменением амплитудно-частотных характеристик трансформатора как механической системы, возбуждаемой силами (электромагнитными, электродинамическими, магнитострикционными), представляющими полигармонический процесс с частотами, кратными 100 Гц.

явления и подходы, используемые при оценке механического состояния обмоток трансформатора
Рис. 1. Основные физические явления и методические подходы, используемые при оценке механического состояния обмоток трансформатора

Более подробно исследования описаны в [2]. Полученные результаты указывают на наличие связи между параметрами вибрации в граничных точках конструкции и усилием прессовки обмоток, однако: оценивать изменения амплитудно-частотных характеристик конструкции по дискретным точкам (шаг дискретности по частоте 100 Гц) с неизвестными силовыми составляющими весьма затруднительно;
переход к количественной оценке усилия прессовки обмоток не представляется возможным.
Кроме того, на практике возникают существенные трудности методического характера:
датчик вибрации необходимо устанавливать всегда в одном и том же месте, так как его незначительное смещение приводит к изменению регистрируемого сигнала вследствие высокой плотности собственных частот бака трансформатора;
требования к воспроизведению режимов работы трансформатора достаточно высокие, так как стабильность вибрационного состояния после очередного включения (переключения) достигается примерно через 4 ч (об этом свидетельствуют как наши данные, так и [3]).
В результате оценка прессовки обмоток трансформатора по его вибрационному состоянию в любом из режимов работы была признана малоэффективной.
Дальнейшее проведение научно-исследовательских работ дало возможность получить техническое решение [4], позволяющее проводить количественную оценку усилия прессовки обмоток, для чего:
отключенный от сети и расшинованный трансформатор подвергается импульсному механическому воздействию, исключающему любые повреждения конструкции;
на вводах трансформатора регистрируется изменение электрического напряжения, которое характеризует, в том числе, свободные затухающие механические колебания элементов активной части;
на основе определенных закономерностей в изменении спектрального состава напряжения производится оценка усилий прессовки обмоток.
Основные физические явления и методические подходы, используемые при диагностике, приведены на рис. 1. Диагноз устанавливают, вычисляя усилие прессовки обмоток трансформатора (под усилием прессовки понимается суммарное усилие прессовки всех обмоток каждой фазы) по соотношению

где- постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток данного трансформатора; f – частота максимума спектральной плотности мощности (СПМ) ЭДС, наведенной в обмотках данного трансформатора; Pi0 и f i0 – известные или ранее определенные усилие прессовки и частота максимума СПМ ЭДС данного или аналогичного трансформатора.
В случае, когда неизвестна постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток ai исследуемого i-го трансформатора, конструкция которого подобна известному j-му трансформатору-эталону, ее определяют из соотношения
(1)
где ai – постоянная величина, характеризующая степень прессовки обмоток известного трансформатора-эталона; mi – масса активной части исследуемого трансформатора; тj – масса активной части известного трансформатора-эталона.
В некоторых случаях удобно пользоваться относительными величинами усилий прессовки обмоток трансформаторов, тогда

где Pt = Pi/Pimax – относительное усилие прессовки обмоток исследуемого i-го трансформатора; Pi – усилие прессовки обмоток исследуемого i-го трансформатора; Pimax – допустимое (номинальное) усилие прессовки i-го трансформатора; Po = P0/P0max – относительное усилие прессовки обмоток трансформатора-эталона; P0 – усилие прессовки обмоток трансформатора-эталона; P0max – допустимое (номинальное) усилие прессовки обмоток трансформатора-эталона; mi – масса активной части исследуемого трансформатора; m0 – масса активной части трансформатора-эталона.
Формула (2) справедлива при условии, что максимальные удельные давления в обмотках для различных трансформаторов равны [5]. Более подробно данная методика представлена в [6]. Кроме определения усилия прессовки обмоток настоящая методика позволяет в отдельных случаях обнаруживать наличие незакрепленных элементов конструкции внутри трансформатора (например, магнитных шунтов на стенках бака).
В настоящее время методика использовалась для проверки более 200 крупных трансформаторов. По результатам проверок производилось вскрытие 25 трансформаторов, во всех случаях диагностируемые усилия соответствовали реальным усилиям прессовки обмоток. В двух случаях по результатам проверок производились аварийное вскрытие и ремонт трансформаторов мощностью 600 и 400 МВ-А, что позволило предотвратить их аварийное повреждение. На основании результатов диагностических испытаний можно сделать следующие выводы:
имеет место удовлетворительное совпадение диагностируемых усилий прессовки обмоток и фактических;
в большинстве случаев усилие прессовки обмоток трансформаторов, бывших в эксплуатации более 5 лет, редко превышает 40% номинального;
на усилие прессовки обмоток существенно влияет тепловое состояние трансформатора;
точность диагноза определяет наличие ранее выполненных эталонных измерений для исследуемого трансформатора (наиболее точные результаты имеют место при существовании таких измерений для данного трансформатора или аналогичного по конструкции, оценочные при диагностике трансформатора с другими массово-габаритными характеристиками).
Для оценки состояния прессовки обмоток трансформаторов, находящихся в эксплуатации, ориентировочно определено значение верхнего порога остаточной прессовки, принятого равным 25% заводской прессовки. При таком остаточном усилии трансформатор, на наш взгляд, может выдержать расчетное при проектировании динамическое воздействие при КЗ в сети. Нижний порог остаточного усилия прессовки обмоток определен в 10% заводского. При таком остаточном усилии рекомендуется обязательная подпрессовка обмоток или капитальный ремонт. Если усилие прессовки обмоток находится в диапазоне 10 – 25% заводского, целесообразно установить более частый контроль за состоянием обмоток. Из всех обследованных трансформаторов около 53% имеют удовлетворительное состояние прессовки обмоток, примерно у 14% необходимо периодически контролировать усилия прессовки обмоток и остальные 33% требуют ремонта с подпрессовкой обмоток.
Вообще говоря, нижний порог остаточного усилия прессовки обмотки, принятый равным примерно 10% заводской, нуждается в уточнении. Однако в качестве практического аргумента “за” можно привести случай с трансформатором ТДТН-40000/110 зав. № 83490, установленным в Златоустовских электрических сетях на подстанции Таганай. При обследовании этого трансформатора выяснилось, что прессовка фазы В составляет лишь 7,5% предполагаемого заводского уровня. Не успели произвести подпрессовку, как трансформатор подвергся близкому КЗ, при этом Zx возросло на 14%, т.е. произошла деформация обмоток. Уточнение предельных значений усилий остаточной прессовки обмоток, при которых трансформатор может находиться в эксплуатации, требует дополнительных исследований. Необходимо также уточнение методики учета температуры обмоток и магнитопровода при оценке предельно допустимых усилий прессовки.
Для оценки сохранности геометрии обмоток может быть использован метод, который в отличие от существующих (метод низковольтных импульсов и измерение комплексного сопротивления короткого замыкания на частоте 50 Гц) основан на оценке электромагнитных частотных характеристик обмоток в широком частотном диапазоне. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазово-частотные характеристики (ФЧХ) входного сопротивления обмотки в зависимости от частоты подаваемого на вход напряжения, измеренные для цепи с распределенными параметрами емкости (С) и индуктивности (L), позволяют судить о геометрии обмоток. Такой подход позволяет более просто и информативно производить оценку геометрии, основанную на ясных физических явлениях, проходящих в обмотках при диагностике. Техническая реализация заключается в следующем.
На вводы трансформатора подается тестирующее напряжение небольшого уровня и регистрируется значение величины отклика, по которому в зависимости от схемы измерений затем определяется комплексная проводимость или сопротивление.


Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика

Данный метод достаточно широко используется за рубежом и носит название FRA (анализ частотного отклика), однако его техническая реализация весьма дорога, поскольку предполагает использование генератора синусоидальных колебаний с плавной разверткой по частоте в диапазоне от 0 до 2 МГц, при этом оценивается комплексная проводимость.
Авторами предлагается вместо синусоидального использовать случайное широкополосное воздействие с равномерным распределением спектральной плотности мощности напряжения, а для оценки изменения геометрии (появления локальных деформаций) обмоток используются амплитудно-частотные (АЧХ) и фазово-частотные характеристики (ФЧХ) входного сопротивления электромагнитной системы “бак – обмотки – магнитопровод” трансформатора, которые тесно связаны с их геометрией.
Зная АЧХ и ФЧХ исправного трансформатора (эталонные измерения) и сравнивая их с АЧХ и ФЧХ, определенными в процессе эксплуатации трансформатора, можно оценить изменения, произошедшие в геометрии обмоток.
Электрическая схема мощного трансформатора представляет собой сложное соединение из пассивных элементов (индуктивности, емкости и сопротивления) [5]. Параметры элементов определяются их геометрическими размерами и взаимным расположением. Кроме того, значения указанных параметров зависят от частоты и силы электрического тока, протекающего по обмоткам трансформатора.
В трехфазном трансформаторе все три фазы объединены между собой индуктивной связью. Вследствие наибольшего числа витков в обмотках высокого напряжения (ВН) они оказывают весьма существенное влияние на электромагнитные свойства трансформатора. Приближенно электрическую схему обмоток ВН можно представить в виде электрической цепи с распределенными параметрами L0, C0, R0 и продольными емкостями между отдельными катушками (слоями) обмотки С1.
Если подать на обмотку трансформатора электрическое напряжение в широком частотном диапазоне, то на частотах, превышающих резонансную частоту электрической цепи, индуктивность начинает уменьшаться. Это приводит к тому, что на частотных характеристиках входного сопротивления обмотки (АЧХ и ФЧХ) проявляются:
первый резонанс, связанный с распределенными параметрами L0, С0, R0;
второй резонанс, связанный с емкостями между отдельными катушками обмотки.
В трансформаторе при слабых токах индуктивность обмотки определяется числом витков, начальной магнитной проницаемостью магнитопровода и длиной пути магнитного потока. Для фазы В длина магнитного потока меньше, чем для фаз А и С. Индуктивность фазы В больше индуктивностей фаз А и С (LB « 1,5LA, LA « LC) и это приводит к тому, что частотные характеристики фазы В отличаются от характеристик фаз А и С. У фазы В первый резонанс имеет один максимум, а у фаз А и С два локальных максимума.
Распределенные емкости С0, С1 и распределенная индуктивность L0 тесно связаны с геометрией обмотки. При изменении геометрии (деформации) обмотки на отдельных участках происходит изменение соответствующих параметров электрической цепи Ci, С0, L0. Это приводит к изменению АЧХ и ФЧХ входного сопротивления обмотки, возникают “изломы” плавного изменения частотных характеристик и смещение резонансных частот. Особенно сильно изменяются в этих точках фазово-частотные характеристики. Следует отметить, что из-за сильной магнитной связи между фазами трансформатора частотные характеристики каждой фазы зависят друг от друга. Кроме того, следует отметить, что активное сопротивление R0 в эквивалентной схеме трансформатора в основном определяется магнитными потерями и существенно зависит от частоты протекающего тока. Следовательно, амплитуды резонансов АЧХ входного сопротивления зависят от сопротивления потерь и могут характеризовать магнитные потери в магнитопроводе обмотки. На рис. 2 построены расчетные амплитудно-частотные характеристики трансформатора для фазы А (С) и фазы В в низкочастотной части спектра.
Все работы по определению электромагнитных частотных характеристик проводятся на обесточенном и расшинованном трансформаторе. При проведении измерений АЧХ и ФЧХ трансформатора необходимо обеспечить одинаковое положение переключателя РПН. Допускается производить оценку состояния геометрии обмоток на других трансформаторах аналогичного типа при одинаковом положении РПН. При проведении измерений трансформатор должен быть полностью расшинован. Нулевой вывод трансформатора, бак и внешний заземляющий контур должны быть объединены в одной точке.


Рис. 3. Измерительная схема:
Г – генератор тестовых сигналов; R – измерительное сопротивление; КУ- коммутирующее устройство; БУ- блок усилителей напряжения диагностического комплекса; Vi, V2, V3, V4 — измерительные каналы согласующего усилителя

Измерения АЧХ и ФЧХ трансформатора проводятся, как правило, на обмотках, соединенных звездой, наиболее предпочтительно использовать обмотки ВН.
С использованием блока коммутации и комплекта соединительных проводов собирается измерительная схема, показанная на рис. 3. Определение АЧХ и ФЧХ трансформатора производится методами спектрального анализа напряжения при возбуждении электромагнитных колебаний в обмотках низковольтным напряжением типа “белый шум”. Расчет электромагнитных частотных характеристик, образованных системой “бак – обмотки – магнитопровод”, производится по соотношению,
(3)
где Gxy (f) – взаимная спектральная плотность мощности (СПМ) случайных процессов напряжения с тестового генератора x (t) и после измерительного сопротивлении R (см. рис. 3) y (t); Gx (f) – СПМ случайного электрического процесса x (t).
Соотношение (3) определяет полную (комплексную) частотную характеристику системы и содержит как амплитудную частотную характеристику \И( f )|, так и фазовую
частотную характеристику
[определяется из взаимной СПМ Gxy (f) = Cxy (f) +
+jQxy ( f )].
Типичные формы АЧХ и ФЧХ трехфазного трансформатора показаны на рис. 4. АЧХ входного сопротивления для фазы В имеет два резонанса. Низкочастотный резонанс (НР) определяется индуктивностью Lb, взаимоиндуктивностями Mab, Mac, Mbc и распределенными емкостями обмотки С0. Более высокочастотный резонанс (ВР) определяется индуктивностью Lb, взаимоиндуктивностями Mab, Mac, Mbc и емкостями между катушками обмоток С1.

Рис. 4. Амплитудно-частотные (1) и фазово-частотные (2) характеристики:
а – фаза А; б – фаза В; в – фаза С

АЧХ входного сопротивления для крайних фаз А или С имеют в низкочастотной области два резонанса (НР1 и НР2), наличие резонанса НР2 связано со значительной разницей индуктивности фазы В (Lb) по сравнению с индуктивностями фаз А и С (La и Lc). Амплитуда входного сопротивления в низкочастотной области определяется отношением характеристического сопротивления обмотки

и сопротивлением потерь R0, в основном зависящим от магнитных потерь в магнитопроводе.
Оценка состояния обмоток и магнитопровода трансформатора проводится сравнением АЧХ и ФЧХ, полученных для исследуемого трансформатора, с АЧХ и ФЧХ, полученными для данного трансформатора ранее (возможно сравнение исследуемого трансформатора с эталонным однотипным трансформатором). Смещение резонансных частот, а также возникновение дополнительных резонансов (экстремальных точек) на частотных характеристиках является следствием изменения геометрии обмоток.

Рис. 5. Амплитудно-частотные (1) и фазово-частотные (2) характеристики фазы В трансформатора:
а – есть деформация обмоток; б – обмотки не имеют деформаций На рис. 5 приведен пример изменения частотных характеристик для фазы В трансформатора ТДЦ-400000/220 при наличии деформаций. Для оценки степени деформации обмотки предлагается использовать коэффициент корреляции между АЧХ и ФЧХ, полученными для данного трансформатора при эталонных измерениях и в процессе последующей эксплуатации. Если значение коэффициента корреляции находится в диапазоне значений 1 – 0,8, то изменений геометрии обмоток нет или они незначительны, если коэффициент корреляции менее 0,8, то имеет место деформация обмоток, при коэффициенте корреляции менее 0,7 необходимо принимать решение о возможности дальнейшей эксплуатации трансформатора. Приведенные границы изменения коэффициента корреляции по мере набора экспериментальных данных могут быть уточнены.
Для оценки состояния магнитопровода (изменение локальной магнитной проницаемости и, как следствие, увеличение магнитных потерь) можно использовать амплитудные значения на резонансных частотах входного сопротивления.
На рис. 6 построены АЧХ трансформатора ТДЦ-200000/110-У1 для фаз А и С при подаче тестирующего сигнала в фазу В. Очевидно, что должна соблюдаться симметрия характеристик фаз А и С. Однако имеет место заметное различие между частотными характеристиками: на частоте первого резонанса (f= 1200 Гц) коэффициент передачи напряжения на обмотке ВН фазы А заметно меньше, чем на фазе С.

б)
Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики трансформатора ТДЦ-200000/110-У1:
а – фаза А; б – фаза С
Это связано с различием магнитных потоков сцепления обмоток фаз А и С, что может приводить к дополнительным потерям в магнитопроводе и, как следствие, к локальному нагреву. Одной из возможных причин данного явления может быть изменение плотности сборки магнитопровода на соответствующей фазе трансформатора. При получении подобных частотных характеристик целесообразно провести тепловизионное обследование данного трансформатора.
С использованием данной методики проведены обследования более десяти проблемных трансформаторов большой мощности. Во всех случаях получены практические результаты, подтверждающие эффективность и простоту реализации методики.
Для проведения измерений в объеме, предусмотренном представленными методиками, используется диагностический измерительный комплекс ДИК-2 (рис. 7), изготовляемый ООО Снежинсктехсервис.
измерительный комплекс ДИК-2
Рис. 7. Диагностический измерительный комплекс ДИК-2

В состав диагностического комплекса входят:
индустриальный компьютер на базе процессора AMD 400 MHz (в базовой поставке оснащен HDD 6Mb, RAM64Mb, цветным ЖК-экраном с активной матрицей), размещенный в транспортной таре. В составе компьютера по шине ISA установлена 12-разрядная плата АЦП ЛА-2М3 с максимальной частотой выборки 500 кГц и буферной памятью FIFO на 512 слов. Плата имеет 8 дифференциальных входных каналов с входным сопротивлением 100 МОм. Индустриальный компьютер прочен к воздействию транспортной вибрации и однократным ударам до 10g;
генератор тестовых электрических сигналов (фиксированные частоты, плавная развертка по частоте в заданном диапазоне, шумы с различным спектральным составом) напряжения в частотном диапазоне от 0,02 до 24 кГц и выходным напряжением до 40 В;
два четырехканальных усилителя по напряжению и (или) заряду. Выбор входного сигнала (заряд или напряжение) и задание коэффициентов усиления осуществляются программно от компьютера;
комплект измерительных жгутов и первичных измерительных преобразователей (пьзоакселерометры типа АНС-112 или АДП-13);
набор инструментов и принадлежностей для наклейки пьезоакселерометров и мелкого ремонта;
транспортная тара под жгуты, коммутационное устройство, набор инструментов и пьезоакселерометры.
Следует отметить, что данный измерительный комплекс может использоваться как для осциллографирования электрических сигналов напряжения в диапазоне частот 0 – 150 кГц, так и для измерения параметров вибрационного состояния (процессы виброускорения в диапазоне частот от 5 до 1,5 кГц или до 10 кГц в зависимости от типа используемых пьезоакселерометров) любого энергетического оборудования.
В заключение следует отметить, что разработанные методики и аппаратура для контроля усилий прессовки и деформации обмоток трансформаторов могут представлять интерес как для предприятий, осуществляющих эксплуатацию крупных трансформаторов, так и для их производителей. Последние при изготовлении трансформаторов получат возможность вносить определяемые характеристики в паспорт и в собственную базу данных. В дальнейшем это позволит в процессе эксплуатации оперативно и с минимальными затратами оценить техническое состояние обмоток, что повысит конкурентоспособность продукции. Организации, эксплуатирующие трансформаторы, с помощью предлагаемого комплекса могут проводить входной контроль приобретаемых трансформаторов и осуществлять их проверку в процессе эксплуатации.

Выводы

  1. Разработаны методы и средства для оценки усилия прессовки обмоток силовых трансформаторов без вскрытия активной части трансформатора.
  2. Предложен новый подход и разработана соответствующая аппаратура для оценки геометрии обмоток силовых трансформаторов частотным методом.

Список литературы

  1. Диагностика обмоток трансформаторов методом низковольтных импульсов / Аликин С. В., Дробошевский А. А., Левицкая Е. И., Филатова М. А. – Электротехника, 1991, № 12.
  2. Исследование возможности диагностирования усилия прессовки обмоток трансформаторов по их вибрационным характеристикам / Петрищев Л. С., Салтанов В. М., Осотов В. Н. и др. – Электрические станции, 1995, № 8.
  3. Рейплингер. Исследование шума, излучаемого силовыми трансформаторами, исходя из современных представлений. Сб. докладов СИГРЭ. Трансформаторы. М.: Энергоатомиздат, 1991.
  4. Пат. (РФ). 2117955. Способ диагностики трансформаторов.
  5. Сапожников А. В. Конструирование трансформаторов. М.: Госэнергоиздат, 1959.
  6. Основные направления совершенствования системы диагностики силового оборудования / Гервиц М. Н., Осотов В. Н., Петрищев Л. С. и др. – Электрические станции, 1997, №5.

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки: , ,

Оставить отзыв