Исследование временных характеристик токов поляризации в изоляции маслонаполненных трансформаторов

УДК 621.315.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ИЗОЛЯЦИИ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

В.К. КОЗЛОВ, С.А. ЗИМНЯКОВ, Д.М. ВАЛИУЛЛИНА Казанский государственный энергетический университет

В данной работе проведена математическая обработка данных, полученных при измерениях токов поляризации изоляции силовых трансформаторов. Получены корреляционные зависимости между постоянными времени изоляции, пробивным напряжением масла и степенью полимеризации трансформаторной бумаги. Доказана возможность использования временных характеристик в диагностике трансформаторного оборудования.

Ключевые слова: маслонаполненное оборудование, ток поляризации, временные характеристики, постоянные времени, пробивное напряжение, степень полимеризации.

Временные характеристики токов поляризации несут значительную информацию о композитных материалах. В частности, изоляция силовых маслонаполненных трансформаторов представляет собой, по сути, несколько слоев диэлектриков (бумаги и изоляционного масла), поэтому общая проводимость подобной конструкции будет определяться вкладами каждой составляющей. Процесс получения временных характеристик сводится к тому, что на измеряемый объект подают постоянное напряжение и регистрируют значения тока, проходящего сквозь изоляционные материалы конструкции, через равные промежутки времени. Во время эксперимента материал находится в постоянном электрическом поле, соответственно молекулы постепенно выстраиваются по магнитным линиям, причем для материалов с разной диэлектрической проницаемостью происходит это с различными временными константами. Жидкие материалы, обладающие более высокой подвижностью молекул, затрачивают на это значительно меньше времени, чем твердые, что позволяет наблюдать за изменениями в разных составляющих, проводя лишь одно измерение.

Как уже отмечалось в работе[1], ток поляризации в изоляции с достаточной точностью можно представить как сумму трех экспонент с различными временами релаксации:

где и о- напряжение, приложенное к диэлектрику; * - время приложения

напряжения; т г - постоянная времени г-го участка схемы замещения диэлектрика;

Щ - омическое сопротивление г-го участка схемы замещения диэлектрика.

При этом было сделано предположение, что первая экспонента несёт информацию о состоянии жидкой части изоляции, третья - о твердой, а на второй

© В.К. Козлов, С.А. Зимняков, Д.М. Валиуллина Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

\

- отражаются размеры и геометрическая форма тестируемого объекта. Пример разложения тока поляризации на составляющие показан на рис. 1.

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о

1 /

-л—

-Ток поляри зацки

---Вклад составляющей т1

-----Вклад составляющей т2

— -Вклад составляющей тЗ

2000 Время, еек

Рис. 1. Определение постоянных времени ть т2 и т3

Для более детального изучения временных характеристик был проведен ряд экспериментальных исследований на установке, схема которой показана на рис. 2.

£-s=i

+ - э

Мегомметр

Рис. 2. Схема установки для определения временных характеристик: ИЯ - измерительная ячейка, Мегомметр - Megger BM-25

Плоская двухзажимная измерительная ячейка представлена на рис. 3.

На данной установке при постоянном напряжении в 2000 В были сняты временные характеристики для исследуемых объектов, представляющих собой листы трансформаторной бумаги с известными степенями полимеризации (девять образцов), пропитанные чистым изоляционным маслом (пробивное напряжение 58 кВ). Результаты измерений сведены в табл.1.

Таблица 1

Результаты исследования бумажной изоляции

Номер Значение степени Постоянная Постоянная Постоянная

образца полимеризации времени т1, сек времени т2, сек времени т3, сек

1 584 74 265 691

2 524 76 278 662

3 441 103 269 666

4 417 80 273 642

5 410 93 259 515

6 328 87 278 512

7 282 82 289 521

8 272 89 274 489

9 223 102 276 453

Рис. 3. Плоская двухзажимная ИЯ для определения временных характеристик: 1 - измерительный электрод; 2 - высоковольтный электрод; 3 - прокладка из твёрдого изоляционного материала; 4 - зажимы для соединения с измерительной схемой; 5 - отверстие

для термометра

Корреляционные зависимости постоянных времени Т1, т 2 и т3 от степени

старения бумажной изоляции показаны на рис. 4. 1 800

£

я 700 а.

2 ёоо

I 300

оп

400 300 200 100 0

Степень полимеризации бумаги

• Постоянная времени 11, сек

• Постоянная времени Т2, сек

• Постоянная времени 13, сек

1234567X9

Номер пробы

Рис. 4. Сравнительный анализ степени полимеризации бумаги и постоянных времени т1, т2 и т3

Как видно из рис. 4, статистической зависимости между степенью полимеризации и постоянной Т1 не прослеживается (коэффициент корреляции Пирсона -0,536). Полученные зависимости так же подтверждают отсутствие связи между степенью старения бумаги и т 2 (коэффициент корреляции Пирсона -0,483).

Между тем выявлена явная корреляционная зависимость постоянной времени т 3 со степенью старения бумажной изоляции (коэффициент корреляции Пирсона 0,904).

С целью подтверждения полученных данных были проведены дополнительные исследования. Во второй части эксперимента образцы бумаги №1 (степень полимеризации 584) были пропитаны маслами с различными значениями пробивного напряжения (58, 51 и 23 кВ). Для данных проб были проведены исследования, аналогичные первой части эксперимента. Результаты отражены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты исследования трансформаторного масла

Номер Значение пробивного Постоянная Постоянная Постоянная

образца напряжения, кВ времени т1, сек времени т2, сек времени т3, сек

1 58 74 265 691

2 51 70 273 695

3 23 63 264 690

Рассмотрим полученные данные подробнее.

Как и следовало ожидать, прослеживается четкая зависимость между характеристиками жидкой изоляции и постоянной Т1. Значение коэффициента корреляции составляет 0,984. Полученная зависимость подтверждает связь данной временной константы с качеством изоляционного масла. Если ряд измерений масла с пробивным напряжением в 58 кВ (рис. 5) не выявил значимых изменений в показании Т1 (её колебания в большой степени связаны с температурными изменениями в ячейке, а не с параметрами масла), то дополнительные измерения выявили между ними явную связь.

Во временном диапазоне т2 наблюдаем картину, аналогичную рис. 4:

значения т2 находятся в одном и том же диапазоне значений для обоих случаев,

что позволяет сделать вывод об отсутствии связи данного временного диапазона с качеством исследуемого диэлектрика, что в совокупности подтверждает зависимость данной константы от характеристик измерительной ячейки.

* II роб 11 в нос напряжен ж' мас.та

• Постоянная времени Т], сек ...................................................^ * Постоянная времени тз, сск

_  Постоянная времени тз, сек

---------------^ ---

[ 2 3

Номер Пробы

Рис. 5. Сравнительный анализ пробивного напряжения масла и постоянных времени т1, т2 и т3 Данные рис. 5 подтверждают наши предположения: постоянная времени т3 несет в себе информацию о состоянии бумажной изоляции. Если в первом случае © Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

2, 700

0

Е

1 60(1

Я

и

= 500

V г 2

т 400

300

200

(изменялась степень полимеризации) коэффициент корреляции имел высокое значение (0,904), то во втором, при постоянном качестве бумаги и использовании масел с разными диэлектрическими характеристиками, каких-либо статистических взаимосвязей выявлено не было (коэффициент корреляции 0,500).

Выводы

Таким образом, в ходе одного измерения можно одновременно наблюдать за состоянием как жидкой, так и твердой частей изоляции, а полученные коэффициенты корреляции свидетельствуют о высокой степени достоверности предлагаемого метода и открывают широкие возможности использования временных характеристик токов поляризации для анализа и прогнозирования состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования, так как отсутствует необходимость вскрытия трансформатора и забора пробы бумаги или масла для определения их параметров.

Summary

In the given work the mathematical data processing, the polarization currents in isolation of power transformers received at measurements is spent. Has been received the correlation dependences between time-domain constant of isolation and breakdown voltage of oil and degree of polymerization of transformer paper. Proved the possibility of using time-domain diagnostic on transformer equipment.

Key words: oil-filled equipment, polarization current, time characteristics, timedomain constant, penetrative pressure, polymerization degree.

Литература

1. Козлов В.К., Зимняков С. А., Енюшин В.Н. Диагностика трансформаторного оборудования на основе временных характеристик изоляции // Энергетика Татарстана. 2009. №4(16). С. 31-38.

Поступила в редакцию 27 декабря 2010 г.

Козлов Владимир Константинович - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-71.

Зимняков Сергей Андреевич - ассистент кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета. (КГЭУ). Тел.: 8-917-2288972. E-mail: zimnyakov@mai.ru.

Валиуллина Дилия Мансуровна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-72.