Классификация основных видов дефектов и повреждений трансформаторно-реакторного оборудования и факторов, приводящих к их возникновению

УДК 621.314.222.6.045.064

А.Ю. Хренников, В.Г. Гольдштейн

КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ ТРАНСФОРМАТОРНО-РЕАКТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ФАКТОРОВ, ПРИВОДЯЩИХ К ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЮ

Рассматриваются основные виды дефектов и повреждений трансформаторов и реакторов, факторы, ведущие к их возникновению, а также конструктивные ошибки при их изготовлении на заводе и дефекты в конкретных узлах, которые могут стать причинами повреждений. Проведена классификация вероятных дефектов по возможности повреждения трансформаторнореакторного оборудования (ТРЭО) с точки зрения снижения ресурсов и запасов прочности. Проанализированы основные виды эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ) и их связь с вероятными дефектами и повреждениями в изоляционной, электромагнитной, токоведущей и механической системах электроустановок ТРЭО.

Оценка фактического состояния силового электрооборудования по результатам диагностических измерений - многоплановая актуальная задача. В настоящее время в России значительная часть электротехнического оборудования станций, подстанций, систем передачи и распределения электроэнергии выработала свой ресурс, но продолжает эксплуатироваться, так как на его замену требуются большие финансовые средства. В связи с этим с каждым годом увеличиваются затраты на проведение комплексных обследований и диагностики его состояния.

Электроустановки ТРЭО с дефектами в активной части можно нормально эксплуатировать еще в течение многих лет, хотя в месте дефекта будет происходить нагрев, рост уровня частичных разрядов (ЧР) в изоляции и, как следствие, ухудшение результатов диагностических измерений и анализов. В дальнейшие годы эксплуатации, а также в случае следующего короткого замыкания (КЗ) с наличием апериодической (ударной) составляющей сквозного тока КЗ вероятен аварийный выход из строя ТРЭО с тяжелыми последствиями.

Основные причины повреждений высоковольтного маслонаполненного ТРЭО:

1) конструктивные ошибки при изготовлении трансформаторов и реакторов на заводе;

2) дефекты в одном из узлов ТРЭО;

3) попадание посторонних частиц внутрь трансформаторов и реакторов через неплотности клапанов, флянцев, встроенных трансформаторов тока (ТТ), а именно влаги, металлической стружки от маслонасосов и т.д.;

4) старение изоляции из-за длительной эксплуатации;

5) электродинамические воздействия токов КЗ на обмотки трансформаторов или реакторов при возникновении близких КЗ;

6) воздействие человеческого фактора, ошибки персонала;

7) эксплуатация ТРЭО, не соответствующая нормативным документам и правилам [1-4]. Основные конструктивные ошибки при изготовлении трансформаторов и реакторов на заводе:

1) несоответствие требованиям электромагнитной совместимости при выборе изоляции;

2) ошибки в проектировании и изготовлении ТРЭО с точки зрения системного подхода к их созданию, в частности, неудачное конструктивное расположение обмоток по охлаждению и изоляционным характеристикам (пример повреждения 2АТ-500 типа АТДЦТНГ-250000/500/110 изготовления 1960-1970-х годов на подстанции "Тайшет", 2003 год);

3) некорректный учет возможных грозовых и коммутационных перенапряжений;

4) недостаточная стойкость (подгорание) контактов РПН и др.

Дефекты в одном из узлов ТРЭО:

1) недостаточный уровень масла во вводах (пример, дефектный ввод типа БМТ-110/600 трансформатора ТДН-40000/110; отсутствует масло в верхней части ввода; при анализе выполненной термограммы эта часть намного холоднее аналогичных частей других вводов);

2) локальные повышенные ЧР в обмотках, во вводах, в ТТ, в переключателе РПН трансформатора, приводящие к внутренним коротким замыканиям;

3) локальный перегрев контактов масляных выключателей, контактов подводящих проводов.

В процессе эксплуатации большое значение в снижении аварийности ТРЭО имеет организации корректной системы обслуживания и ремонтов. При этом необходима строгая и полномасштабная реализация комплекса мероприятий, позволяющих исключить появление и развитие дефектов и повреждений в высоковольтном маслонаполненном ТРЭО:

1) оптимальная по времени и объему диагностика оборудования, выполняемая в строгом соответствии с РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования» (ОНИЭ);

2) специальная диагностика трансформаторов и реакторов, эксплуатируемых длительно, более нормативного срока эксплуатации (25 лет) или работающих в “зоне риска” по параметрам ОНИЭ, по перегрузкам, по напряжению, климатическим условиям и др.:

- измерение интенсивности ЧР в изоляции обмоток;

- контроль механического состояния обмоток после воздействия токов КЗ;

- оценка остаточного ресурса бумажно-масляной изоляции по степени полимеризации

- (п. 6.6.2 РД 34. 45-51.300-97);

3) неукоснительное выполнение требований нормативно-технической документации (НТД) и рекомендаций изготовителя при реализации в эксплуатации ТРЭО конкретной стратегии технического обслуживания и ремонтов;

4) замена изношенных, выработавших свой ресурс элементов ТРЭО (переключатели РПН, вводы, маслонасосы, вентиляторы системы охлаждения и др.); сюда же могут быть отнесены подпрес-совка обмоток, замена масла в электроустановке и т. д.

Наибольшую часть видов повреждений, анализируемых в настоящей работе, можно классифицировать по локализации в следующих основных элементах силовых ТРЭО:

- активная часть - обмотки, магнитопровод, прессующая система;

- вводы;

- переключающие устройства;

- система охлаждения;

- система дыхания и компенсации масла;

- бак и маслопроводы;

- контрольно-измерительная аппаратура.

Далее рассмотрены вопросы диагностики повреждений активной части силовых трансформаторов и реакторов как наиболее часто повреждаемого и ответственного элемента электрической сети

[1-4].

Основные виды повреждений активной части трансформаторов и реакторов

1. Развивающиеся повреждения - нагрев токоведущих соединений отводов, частичные разряды, нагрев элементов конструкции активной части, остаточные деформации обмоток.

2. Износовые дефекты - увлажнение, загрязнение твёрдыми примесями, газовые включения, старение. Повреждения, к которым приводят эти дефекты, имеют как внезапный, так и развивающийся характер.

3. Внезапные повреждения обмотки и изоляции, обусловленные скрытыми дефектами, приводящими к внезапному нарушению электрической и механической прочности, диагностика которых методами периодического контроля практически невозможна.

Первая причина повреждений, относящаяся к обмоткам электроустановок ТРЭО, - это повреждение высоковольтных вводов, которое приводит в большинстве случаев к распространению очага аварии на активную часть. Пример - повреждение на подстанции "Рубцовская" ЗападноСибирского предприятия МЭС 29.10.2005 реактора Р-1 типа РОДЦ-60000/500. Определяющим признаком повреждения реактора здесь было образование так называемого “желтого налета” на внутренней поверхности фарфоровой покрышки ввода, которое в результате привело к повреждению ввода, к деформации бака реактора, пожару и др.

Вторая причина повреждений - внутренние замыкания обмоток, которые могут быть вызваны пробоем витковой изоляции в результате деструкции изоляции под воздействием эксплутационных факторов и действием частичных разрядов (ЧР) в месте будущего пробоя. Они могут быть инициированы коммутационными, грозовыми и иными ЭФВ на изоляцию.

Третья причина внутренних замыканий обмоток непосредственным образом связана с электродинамической стойкостью обмоток при КЗ. Ее недостаточность практически сразу приводит к пробоям изоляции в местах недопустимых остаточных деформаций и витковым замыканиям с

аварийным выходом трансформатора из строя с тяжелыми последствиями, особенно у трансформаторов, имеющих большой срок службы (более 25 лет).

Возможно также образование в месте деформации обмотки очага с ослабленной изоляцией. Этот очаг может существовать много лет; в нем идет интенсивное развитие ЧР, приводящих в конечном итоге к пробою изоляции и витковому замыканию. По статистике, для трансформаторов напряжением 110^500 кВ и мощностью 63 МВА и более на предприятиях электрических и межсис-темных сетей России около 30% от общего числа отключений оборудования связано с внутренними КЗ [5-12].

Дадим далее классификацию вероятных дефектов в изоляционной системе, которые возникают в стационарных эксплуатационных режимах из-за возможных повреждений ТРЭО как результат снижения запасов электрической прочности. Их условно можно разделить на следующие группы дефектов:

- ведущие к возникновению пробоя при рабочем напряжении;

- сокращающие срок службы.

Причинами этих дефектов являются пузырьки газа в масле и аналогичные образования водяного пара, выделяющиеся из бумаги при резком повышении температуры проводника обмотки. Отметим, что действующими нормативными документами не установлены требования к величине такой температуры, не существует также утвержденной методики ее определения. При этом возможно появление критических ЧР при рабочем напряжении, при повторяющейся перегрузке или длительном КЗ. Кроме того, возникает опасность, в значительной мере существенная для электрически нагруженных масляных каналов в обмотках.

Свободная вода, высокая относительная влажность масла с присутствием механических примесей, увеличение концентрации растворенной воды в масле при повышении температуры могут привести к следующим последствиям:

- вызвать пробой масляного промежутка при рабочем напряжении;

- повысить проводимость механических примесей в масле при увеличении концентрации воды;

- вызвать резкое понижение пробивного напряжения масла [4, 6, 11, 13].

Проводящие частицы в масле и на поверхности изоляции повышают опасность возникновения разрядов как при перенапряжениях, так и при рабочем напряжении. Источниками проводящих примесей является износ подшипников маслонасосов, а также миграция углерода из контактора РПН и из зоны локального перегрева масла.

Необходимо отметить также возможность ухудшения диэлектрических свойств бумаги и картона из-за адсорбирования и отложения полупроводящих продуктов старения масла. Кроме того, электрическое поле создает скрытые дефекты и эффект ловушки для проводящих примесей [4, 6, 11, 13]. Далее рассмотрим дефекты в локальных системах ТРЭО.

Дефекты в электромагнитной системе трансформаторов, возникающие в результате образования короткозамкнутых контуров, вызваны замыканиями:

- листов электротехнической стали в магнитопроводе («пожар в железе»);

- в прессующей системе;

- верхней консоли на бак;

- нижних консолей на бак в нескольких точках и др.

Дефекты в токоведущей системе трансформаторов и реакторов, приводящие к опасности отключения, вызываются перегревом контактных соединений:

- отвода обмотки НН;

- шпильки ввода НН;

- контактов РПН втычного типа, что ведет к межфазному КЗ.

Дефекты в РПН и системе охлаждения возможны из-за подгорания контактов РПН, а также нерасчетных токов или выработанного ресурса переключений. Для системы охлаждения представляют опасность зашламление и засорение охладителей, которые, например, были выявлены в результате аудиторской проверки у автотрансформаторов АТ-4 и АТ-6 на подстанции «Восточная» Ленинградского ПМЭС. При этом констатируется ухудшение охлаждения и связанное с ним повышение температуры верхних слоев масла выше допустимой по НТД, что может даже вызвать отключение трансформатора.

Дефекты в трансформаторно-реакторных вводах возможны из-за следующих причин:

- недостаточный уровень масла во вводах (выявляется при обходах и осмотрах оперативнодиспетчерским персоналом или тепловизионным обследованием);

- образование так называемого “желтого налета” на внутренней поверхности фарфоровой покрышки ввода, которое в результате может привести к повреждению ввода, вздутию бака, пожару и др.;

- разрядные явления во вводах, ведущие на первой стадии к повышенному газообразованию (для их выявления применяются методы хроматографического анализа);

- недостатки конструкции вводов, также приводящие к возникновению частичных разрядов, повышенному газообразованию и, в конечном итоге, к повреждению.

Дефекты, вызванные процессами старения (деградации) трансформаторного масла и деструкции целлюлозно-бумажной изоляции.

В процессе эксплуатации ТРЭО изоляционное масло претерпевает деградационные изменения, которые определяются общим термином «старение». Физические и химические процессы в работающих электроустановках приводят к ухудшению электрической стойкости изоляционных материалов (бумаги, картона др.). Тепловая энергия, поглощаемая трансформаторным маслом, не изменяет химических свойств углеводородных цепей, но подвижные компоненты разлагаются с образованием свободных радикалов. На скорость старения оказывают влияние кислород воздуха, температура, световая энергия.

Основными факторами старения изоляции являются два источника энергии: электрическое поле, действующее на изоляцию, и кислород в сочетании с теплом и каталитическими свойствами металлов. Основной причиной старения трансформаторного масла в эксплуатации являются окислительные процессы. Их влияние в определенной мере можно ограничить с помощью антиоксидантов (например, ионола), которые выполняют очень важную защитную функцию, затормаживая образование продуктов окисления. Отметим также, что реакции окислительного старения масла ускоряются присутствием тепла, влаги и катализаторов, таких как медь или железо, которые являются основными компонентами электроустановок ТРЭО [14].

Дефекты в механической системе трансформаторов и реакторов возникают при деформации обмоток в результате протекания по ним сквозных токов, близких токам КЗ, что непосредственным образом связано с электродинамической стойкостью как одной из важнейших характеристик ТРЭО. Опыт испытаний силовых трансформаторов и собранная статистика по диагностике их повреждений в эксплуатации показывает, что основными видами потери электродинамической стойкости обмоток при протекании сквозных токов КЗ являются:

- осевые остаточные деформации (распрессовка и повреждение прессующей системы обмоток как частный случай потери осевой устойчивости);

- радиальные остаточные деформации;

- полегание обмоточного провода под действием электродинамических сил;

- скручивание или раскручивание обмоток, которые необходимо выделить в отдельный пункт, так как это и не осевые, и не радиальные остаточные деформации (геометрия обмотки по высоте не изменяется, радиальный ее размер также остается неизменным);

- витковые замыкания, являющиеся конечным итогом деструкции бумажной изоляции, потери электродинамической стойкости обмоток под действием эксплутационных факторов и, прежде всего, токов КЗ с дальнейшим пробоем изоляции в месте деформации.

Измерение сопротивления КЗ (2к) позволяет эффективно выявлять радиальные деформации, однако относительное изменение зависит от конструкции. Например, в трансформаторах с двойным концентром обмоток ВН или с двухслойными обмотками НН критическим является изменение индуктивного сопротивления КЗ всего на 1-2%. Этот метод не позволяет выявить некоторые виды деформаций и полегания провода, как, например, деформации обмотки 500 кВ автотрансформатора АТ-3 подстанции “Златоуст” типа АТДЦТНГ-250000/500/110 [1-12]. Что касается электродинамической стойкости, то тяжесть и последствия воздействия токов КЗ для обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации зависят от ряда следующих факторов:

- мощность КЗ системы и номинальная мощность трансформатора;

- конфигурация схемы присоединения трансформатора;

- конструктивное исполнение трансформатора;

- техническое состояние самого трансформатора (количество КЗ, случившихся на нем за период эксплуатации, наличие остаточных деформаций, очагов интенсивных ЧР в изоляции и др.);

- удаленность трансформатора от мощных источников генерации в системе, т.е. от суммарного сопротивления промежуточных элементов схемы;

- значение Куд - ударного коэффициента КЗ, определяющего величину первого, наиболее опасного пика апериодической составляющей тока КЗ;

- быстродействие релейной защиты, надежная работа коммутационных аппаратов и другие факторы и обстоятельства.

Анализ результатов проверок обмоток трансформаторов и реакторов на электродинамическую стойкость токам КЗ в соответствии с требованиями ГОСТ 11677-85 позволяет утверждать, что остаточные деформации обмоток являются наиболее часто встречающимися видами повреждений.

Классификация основных видов воздействий на электроустановки ТРЭО

Возникновение дефектов и, как следствие, повреждаемость ТРЭО в значительной мере определяются эксплуатационными физическими воздействиями (ЭФВ) на элементы и электроустановки ТРЭО. Особенно существенно их влияние в случаях, когда характеристики этих электроустановок находятся на уровнях значений, предельно допустимых по НТД, а срок эксплуатации близок к нормативному или превышает его.

В заключение настоящей работы приведем основные виды ЭФВ, которые, прежде всего, определяются предельными значениями параметров электрических режимов и характеристик окружающей среды:

1) сквозные токи КЗ;

2) коммутационные и грозовые перенапряжения;

3) длительные перегрузки;

4) высокие летние и низкие зимние температуры;

5) ветровые и другие механические нагрузки на ошиновку и вводы силовых трансформаторов и реакторов;

6) загрязнение внешней изоляции (особенно в зонах воздействия соляного тумана и выбросов химических предприятий и др.).

Кроме названных ЭФВ необходимо также назвать повреждения электроустановок ТРЭО от возможных взрывов и разрушений электрооборудования, находящегося на подстанциях в непосредственной близости (воздушных выключателей, трансформаторов тока и напряжения, защитных аппаратов - ограничителей перенапряжений, вентильных разрядников и др.), а также повреждения, вызванные внешними причинами и объектами биологического, механического и другого происхождения (птицы, животные, ошибки персонала, вандальные действия посторонних лиц и др.).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Хренников А.Ю., Шлегель О.А. Контроль состояния активной части и испытания мощных силовых трансформаторов на стойкость токам короткого замыкания // ЭЛЕКТРО. 2007. №1.

2. Хренников А.Ю. Методы низковольтных импульсов и частотного анализа для контроля механического состояния обмоток силовых трансформаторов // ЭЛЕКТРО. 2007. №2.

3. Хренников А.Ю. Причины повреждений силовых трансформаторов и реакторов напряжением 110-500 кВ в процессе эксплуатации // Электротехника-2030 год. Перспективные технологии электроэнергетики: Сборник докл. на 9-м Международном симпозиуме, ГУП ВЭИ, Москва, май 2007 г. М., 2007.

4. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г. Причины повреждения обмоток силовых трансформаторов и расчет токов короткого замыкания // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды 4-й Всероссийской науч. конф. с между-нар. участием, Самара, 29-31 мая 2007 г. Ч. 2. Самара, 2007. С. 53-56.

5. Хренников А.Ю. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ // Промышленная энергетика. 2007. №8. С. 21-27.

6. Хренников А.Ю., Терешко О.А. Диагностика дефектов и примеры повреждений маслонаполненного трансформаторно-реакторного оборудования, турбогенераторов, измерительных трансформаторов тока, напряжения и ОПН: Учеб.-метод. пособ. ИПК госслужбы. М., 2007. 89 с.

7. Хренников А.Ю. Выявление деформаций обмоток трансформатора типа ТЦ-666000/500 при электродинамических испытаниях на стойкость к токам короткого замыкания // Известия вузов. Электромеханика. 2007. №5. С. 74-75.

8. Хренников А.Ю. Некоторые вопросы электродинамических испытаний мощных силовых трансформаторов на стойкость токам КЗ // Электричество. 2007. №12. С. 15-18.

9. Хренников А.Ю. Закон распределения погрешности измерения сопротивления трансформаторов и реакторов в опытах на стойкость к токам короткого замыкания // Известия вузов. Электромеханика. 2007. №6. С. 68-70.

10. Хренников А.Ю., Сидоренко М.Г. Экономическая эффективность инфракрасной диагностики оборудования // Промышленная энергетика. 2007. №12. С. 13-16.

11. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г. Техническая диагностика, повреждаемость и ресурсы силовых и измерительных трансформаторов и реакторов. М.: Энергоатомиздат, 2007. 286 с.

12. Хренников А.Ю. «On-line» система защиты и мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов и реакторов // Вестник Самар. гос. тех. ун-та. Сер. Технические науки. 2007. №2(20). С. 158-163.

13. Соколов В.В. Новая методология диагностики трансформаторного оборудования с ранжированием по техническому состоянию // Электротехника 2100: Сборник докл. V111 симпозиума (ТРАВЭК). Москва, май 2005 г. М., 2005. Т. 2. С. 145-149.

14. Аракелян В.Г. Исследование теплового старения изоляционных жидкостей. Механизмы и кинетика старения // Электротехника. 2007. №9.

Статья поступила в редакцию 5 марта 2008 г.

УДК-621.313

В.А. Ямщиков, В.Е. Высоцкий, М.Т. Мифтахов

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАПУСКА МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

Разработаны программа электромагнитного расчета мощных асинхронных двигателей для ГПА и программа математического моделирования переходных процессов при пуске двигателей данного типа. Программа электромагнитного расчета успешно применяется как в научных исследованиях, так и в учебном процессе.

В настоящее время в электромеханических системах транспорта газа привод газоперекачивающих агрегатов (ГПА) осуществляется газотурбинными установками, включающими мощные электродвигатели переменного тока (синхронные или асинхронные).

В соответствии с требованиями технологического процесса газоперекачки, экологии и энергосберегающих технологий необходимо обеспечивать заданные показатели переходного процесса пуска, поэтому во всем мире повсеместно внедряются софт-стартеры, или устройства мягкого (плавного) пуска, а также частотный пуск.

При прямом пуске нерегулируемых электроприводов ГПА путем подключения мощных электродвигателей переменного тока непосредственно или через токоограничительные реакторы к промышленной сети имеют место переходные процессы, теоретическое и экспериментальное исследование которых относится к наиболее важным задачам современной электромеханики.

Рассматриваемые переходные процессы характеризуются тем, что время пуска обычно велико -достигает нескольких секунд; пусковой ток в несколько раз превышает номинальный, электромагнитный момент имеет значительную знакопеременную апериодическую составляющую. В комплексе все это воздействует как на сам электродвигатель, вызывая, в частности, повышенные вибрации, так и на питающую сеть, приводя в ряде случаев к кратковременным понижениям напряжения и другим проблемам эксплуатационного порядка.

С другой стороны, низкое время пуска характеризуется значительными центробежными воздей -ствиями на рабочую часть ГПА, что отрицательно сказывается на его эксплуатационных характеристиках. Поиск оптимального времени пуска ГПА является одной из задач газовой энергетики, непосредственно связанной с повышением надежности и безопасности работы ГПА.

Возможности экспериментального исследования переходных процессов при пуске мощных электродвигателей в составе ГПА резко ограничены в связи с производственными нуждами. Поэтому целесообразно максимально использовать возможности математического моделирования рассматриваемых переходных процессов.

Математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии в асинхронных машинах отличается сложностью, поэтому создание их математических моделей особенно целесообразно, так как при этом становится возможным решение широкого круга задач, объединен -ных общностью алгоритма.