Оценка состояния трансформаторов с длительным сроком эксплуатации

Опубликовано: 18 Май 2012

трансформатор с длительным сроком эксплуатации

Львов М.Ю. (АО ВНИИЭ, Москва)

В настоящее время значительное количество силовых трансформаторов 110 кВ и выше эксплуатируемых в России отработало определенный стандартами минимальный срок службы 25 лет [I]. Замена таких трансформаторов на новые объективна не оправдана, если их основные элементы еще работоспособны. Поэтому разработка надежных методов и средств, позволяющих правильно оценить работоспособность конкретного трансформатора и прогнозировать возможность его дальнейшей эксплуатации, является актуальной задачей.
Очевидно, что обследование такого оборудования должно охватывать все элементы трансформатора – основные и вспомогательные. Однако основой для принятия решения о возможности и целесообразности продолжения его эксплуатации является состояние его основных элементов: сердечника и обмоток, включая все элементы их твердой изоляции, замена которых требует больших затрат. При их приемлемом для дальнейшей эксплуатации состоянии, остальные элементы, включая масло, вводы, переключатели ответвлений должны находится в исправном состоянии (возможные в них дефекты устранены или проведена их замена). Полное обследование состояния трансформаторов, отработавших определенные стандартами минимальные сроки службы, целесообразно совмещать с капитальными ремонтами.
Выявление наличия опасных деформаций, распрессовки обмоток и оценка механической прочности витковой изоляции в комплексе определяют состояние основного элемента, а именно обмотки.
Для оценки наличия опасных деформаций и распрессовки обмоток в условиях эксплуатации следует выделить ряд методов определения количественных характеристик состояния обмоток:

  1. измерение сопротивления короткого замыкания (Zk) трансформатора (в соответствии с «Объем и нормы испытаний электрооборудования» [2]);
  2. метод низковольтных импульсов (разработка ВЭИ);
  3. оценка остаточного усилия прессовки обмоток трансформатора по регистрации вибрационной реакции трансформатора на импульсное механическое воздействие (методика безразборной оценки усилия прессовки, разработка «Снежинсктехсервис»).

Важным вопросом является оценка ресурса бумажной изоляции обмоток трансформатора. При этом разработка надежных методов и средств, позволяющих правильно оценить работоспособность изоляции конкретного трансформатора на данный момент и прогнозировать ее работоспособность на будущее время, является актуальной задачей.
В настоящее время, как в отечественной так и зарубежной электроэнергетике такие методики и средства отсутствуют. Имеются лишь не систематизированные попытки решить отдельные аспекты проблемы, а именно:

  1. оценка температуры наиболее нагретой точки и расчет относительного износа витковой изоляции;
  2. оценка состояния износа изоляции по степени полимеризации образцов заложенных в трансформатор («модель изоляции»);
  3. измерение количества продуктов разложения изоляции (фурановых соединений) растворенных в трансформаторном масле.

Для оценки состояния бумажной изоляции обмоток в последнее время в энергосистемах получил распространение метод измерений фурановых соединений в масле в соответствии с «Объем и номы испытаний электрооборудования» [2] установлено значение содержания фурановых производных, ограничивающее область нормального состояния оборудования. Следует, однако, отметить, что хотя деструкция бумаги сопровождается выделением в трансформаторное масло фурановых соединений, тем не менее они являются лабильными соединениями и могут разлагаться под действием кислой среды в сторону образования продуктов не фуранового ряда. При этом, как известно, при наличии в трансформаторе термосифонного фильтра образующиеся фурановые соединения адсорбируются и распадаются из-за кислой среды на силикагеле. Лишь в случае наступления динамического равновесия между продуктами поглощения и продуктами выделения сорбентом, уже далеко продвинувшийся процесс разложение бумажной изоляции может начать проявляться в накоплении фурановых соединений в масле.
На основе анализа результатов, полученных во ВНИИЭ при обследовании 244 силовых трансформаторов напряжением 110кВ и выше, в табл.1 приведены выборочные средние значения содержания фурановых соединений в масле и доверительные интервалы с уровнем доверия 95% в зависимости от срока эксплуатации.
Таблица 1.

Срок
эксплуатации,
лет

Среднее значение содержания фурановых
соединений в масле ш, % массы

Доверительный
интервал

0-5

0,00015

0 < m < 0,00024

5-10

0,00018

0,00012 <m< 0,00025

10-15

0,00038

0,00026 < m < 0,00050

15-20

0,00026

0,00016 <m <0,00036

20-25

0,00033

0.00024 <m<0,00042

25-30

0,00045

0,00030 < m < 0,00060

Результаты табл. 1 свидетельствуют об отсутствии монотонной зависимости содержания фурановых соединений в масле от увеличения срока эксплуатации трансформаторов.
Для относительно длительного срока эксплуатации трансформаторов, используя стандартный критерий значимости для сравнения средних значений совокупностей, в табл.2 приведены рассчитанные наблюдаемые значения критерия £набл и табулированное значение критической точки ZKpnpn уровне
значимости а – 0,05.
Таблица 2.

Параметры совокупностей, лет

| Zнабл |

Zkp

10-15 и 15-20

1,62

 

10-15 и. 20-25

0,71

1,96

10-15 и 25-30

0,79

 

Данные табл.2 свидетельствуют, что во всех случаях сравнения
| Zнабл |< что в соответствии с использованным критерием указывает на
отсутствие значимых различий полученных концентраций фурановых соединений от увеличения срока эксплуатации трансформаторов.
В табл.З приведены некоторые результаты измерений содержания фурановых соединений в масле и степени полимеризации образцов витковой изоляции обмоток трансформаторов выполненных во ВНИИЭ.
Таблица 3.

Тип
трансформатора

Содержание фурановых соединений в масле трансформатора, % массы

Степень полимеризации, Р

ТДТН-10000/110 зав.№ 64324

0,0006

198

ТДТН-15000/110 зав.№ 61208

0,0005

303

ТРДЦН-80000/110 зав.№ 1026479

0,0005

140

ТДНГУ-63000/110 зав.№ 871684

0,0008

317

Измерения выполнены во ВНИИЭ в.н.с., к.х.н. Писаревой Н.А.
Результаты табл.3 свидетельствуют, что у всех трансформаторов имеет место сильное старение изоляции обмоток, а у трансформаторов зав.№ 64324 и зав.№ 1026479 полностью исчерпан ресурс бумажной изоляции (в соответствии с «Объем и нормы испытаний электрооборудования» [2] ресурс бумажной изоляции считается исчерпанным при достижении степени полимеризации 250 ед.), однако содержание фурановых соединений находится в зоне допустимых значений (менее 0,0015 % массы [2]). Т.е. нахождение значения содержания фурановых соединений в масле силовых трансформаторов в зоне допустимых значений не является признаком, свидетельствующим об удовлетворительном состоянии изоляции обмоток. Это принципиально объясняется лабильностью фурановых соединений в процессе эксплуатации силовых трансформаторов, что было отмечено выше. Отсутствие монотонности и значимых различий изменения содержания фурановых соединений от срока эксплуатации трансформаторов указывает на случайную диагностическую ценность данного показателя и невозможность его использования для оценки степени старения изоляции обмоток. При этом степень полимеризации является объективным показателем, характеризующим физико-химическое разрушение изоляции в процессе эксплуатации, а именно снижение ее механической прочности на растяжение и излом [3]. Снижение степени полимеризации бумажной изоляции в процессе эксплуатации трансформатора имеет монотонную зависимость в течении всего срока эксплуатации, что определяет высокую диагностическую ценность данного показателя.
Как известно, тепловое старение бумаги при отсутствии других внешних воздействий практически не меняет ее кратковременную электрическую прочность [4]. Однако, в реальных условиях эксплуатации одновременно с нагревом изоляции подвергается так же воздействию механических усилий, особенно, при коротких замыканиях. Поэтому снижение механической прочности бумаги в результате теплового старения приводит к механическому повреждению изоляции и уже, как следствие, к электрическому пробою.
Условия работы витковой и барьерной изоляции с точки зрения происходящих в них физико-химических процессов существенно различаются. При этом для барьерной изоляции наиболее характерным в процессе старения является кислотный алкоголиз, а для витковой наряду с алкоголизом усиливается деструкция в кристаллической части целлюлозы. Анализ условий работы витковой и барьерной изоляции, а так же выполненные во ВНИИЭ измерения степени
полимеризации различных образцов изоляции отобранных из реальных трансформаторов показывают, что для оценки степени износа бумажной изоляции обмоток необходимо проводить измерения степени полимеризации образца витковой изоляции. Анализ заложенных в трансформатор образцов бумаги и образцов барьерной изоляции не является представительным.
Отбор образца витковой изоляции (3-5 г), необходимого для проведения анализа, может быть выполнен на отключенном трансформаторе как при капитальном ремонте, так и при осуществлении частичного слива («подслива») масла через люки. Методика измерений степени полимеризации образцов бумажной изоляции, применяемая во ВНИИЭ, основывается на определении вязкости ее кадоксенового раствора. Эта методика получила в настоящее время достаточно широкое распространение в ряде отраслей вследствие высокой стабильности вязкостных характеристик и отсутствия сколь – либо значительных деструктивных эффектов при растворении целлюлозы, о котором свидетельствует факт совпадения измерений степени полимеризации целлюлоз различных типов (в том числе и окисленных).
В настоящее время в эксплуатации еще находится достаточно много изготовленных в соответствии со старыми ГОСТ 11677-65 трансформаторов (наиболее часто повреждаются трансформаторы, разработанные до 1970 года, имеющие недостаточную электродинамическую стойкость к возросшим уровням токов КЗ), на которых возможны существенные превышения значений допустимых для них токов короткого замыкания [5]. Для таких трансформаторов имеет место фактор риска их повреждений вследствие возможного возникновения токов КЗ, превышающих нормированные. Риск в этом случае представляет собой материальные и социальные потери от КЗ.
Объективное наличие фактора риска в условиях эксплуатации требует применения целенаправленных мероприятий, позволяющих снизить риск как в части вероятности повреждений трансформатора, так и в части возможных убытков[6]. К первой части следует отнести используемые в практике координации уровней токов короткого замыкания различные мероприятия по ограничению сквозных токов КЗ трансформаторов энергосистем при достижении токами 80% и более от нормированного уровня. Это изменение схемы сети, обеспечивающее снижение токов КЗ; стационарное секционирование сети; введение реакторов и резисторов в нейтраль автотрансформаторов; ограничение опасных воздействий токов КЗ на обмотки трансформаторов путем выбора очередности АПВ линий электропередачи и даже блокировки АПВ; применение методов и средств диагностики.
К мероприятиям оказывающим прямое влияние на величину возможных убытков в случае возникновения аварийной ситуации относятся действия персонала в соответствии с нормативными инструкциями, эффективность работы автоматической системы пожаротушения и релейной защиты, наличие необходимого резерва оборудования.
В заключение следует подчеркнуть необходимость проведения работ по разработке и совершенствованию методических рекомендаций и нормативнотехнической документации по оценке состояния трансформаторов с длительным сроком эксплуатации.

Литература

  1. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
  2. Объем и нормы испытаний электрооборудования. РД 34.45-51.300-97. М.1998.
  3. Липштейн Р. А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат, 1983.
  4. Техника высоких напряжений. Под ред. Д.В. Разевига. М.: Энергия, 1976.
  5. Львов Ю.Н., Хубларов Н.Н. Общий подход к эксплуатации длительно работающих крупных трансформаторов. Вестник ВНИИЭ-97, 1997.
  6. CIGRE Session-2000 / Bogomolov V.S., Khublarov N.N., Lvov M.Ju., Lvov Yu.N., Vanin B.V., Neklepaev B.N. Problems of avtotransfbrmers operation in sistems with fault currents upgrowth. Paper 12-106.

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки: ,

Оставить отзыв