СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ БУМАЖНО-МАСЛЯНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUS CONTROL OF HUMIDITY OF PAPER-OIL INSULATION OF HIGH-VOLTAGE OIL-FILLED EQUIPMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу измерения абсолютной влажности бумаги в витковой изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования, например, силового трансформатора, а также к устройству для осуществления этого способа.
Уровень техники
Наличие влаги (воды) в бумажно-масляной изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования может негативно влиять на работу такого оборудования. В работающем силовом маслонаполненном трансформаторе даже при постоянной нагрузке существует неравномерное распределение влаги в различных участках изоляции. Известно, что витковая изоляция имеет меньшее влагосодержание, чем барьеры главной изоляции, вследствие тенденции выравнивания парциального давления водяных паров под воздействием градиента температуры. Этот факт объясняется тем, что барьерная изоляция нагревается от масла, а витковая - непосредственно от магнитопровода, который в работающем силовом трансформаторе имеет всегда более высокую температуру, чем масло. В работающем трансформаторе происходит постоянное перераспределение воды между твердой изоляцией и маслом вследствие изменения температуры при изменении нагрузки и атмосферных условий. В случае повышения температуры твердой изоляции парциальное давление водяных паров в ней повышается, и под действием градиента парциального давления влага переходит из твердой изоляции в масло. При резких изменениях условий трансформаторное масло может оказаться перенасыщенным влагой и произойдет выделение свободной воды в виде эмульсии. Под воздействием электрического поля пузырьки воды могут выстраиваться в цепочки, т.к. вода по своей природе полярна, и образовывать проводящие мостики или осаждаться на поверхности твердой изоляции. Все это приводит к снижению электрической прочности изоляции (http: //leg.со.ua/transformatory/praktika/vlagosoderzhanie-izolyacii-transformatora-pri-ego-ekspluatacii.html) и, в конечном счете, к ее пробою. В связи с этим измерение влагосодержания изоляции в процессе эксплуатации трансформатора является актуальной и важной задачей.
Для измерения влажности бумажно-масляной изоляции используются различные методы и устройства.
В патенте РФ №2756508 (опубл. 01.10.2021) описана система контроля технического состояния трансформатора по состоянию масла, залитого в этот трансформатор. В этой системе в качестве составной части указан датчик влажности твердой изоляции. Однако выполнение этого датчика и даже принцип его работы в данном документе не раскрыты.
В патенте США №8149003 (опубл. 03.04.2012) охарактеризованы способ и устройство для определения влажности изоляции трансформатора. В этом патенте в общем виде описан способ, в котором определяют диэлектрические свойства изоляции, строят ее модель и уточняют ее в зависимости от проводимости используемой жидкости. Как и в предыдущем документе, в данном патенте не раскрыты подробности как способа, так и устройства.
В патенте США №10180407 (опубл. 15.01.2019) и в продолжающем и развивающем его патенте США №10502702 (опубл. 10.12.2019) раскрыты емкостные датчики влажности, выполненные по технологии многослойных МОП (металл-оксид-полупроводник) полевых транзисторов и содержащие опорные и измерительные конденсаторы. Эти датчики достаточно сложны в изготовлении и использовании.
Принцип измерения влажности изоляции силовых трансформаторов путем измерения диэлектрического частотного отклика с помощью набора конденсаторов раскрыт также в публикациях международных заявок WO 2008/026997 (опубл. 06.03.2008) и WO 2015/155270 (опубл. 15.10.2015). Однако предложенные в этих заявках устройства достаточно сложны.
В патенте РФ на полезную модель №155510 (опубл. 10.10.2015) описан весьма простой датчик влажности емкостного типа в виде двух фланцев, между которыми закреплены электроды конденсатора, разделенные слоем бумажной изоляции, которая играет роль диэлектрического слоя. Данный документ принят в качестве ближайшего аналога.
Однако этот датчик имеет ограниченные функциональные возможности из-за длительного времени установления измеряемой величины, которое определяется диффузией влаги в бумаге и может оказаться неприемлемым для целей непрерывного контроля влагосодержания бумажно-масляной изоляции высоковольтного оборудования. Характерное время диффузионных процессов пропорционально квадрату размера от краев до самой удаленной от них точки в бумаге - это путь, который необходимо пройти влаге в бумаге, поэтому уменьшение этих размеров позволило бы сократить время измерения. Кроме того, в этом датчике в качестве диэлектрического слоя в конденсаторе применен один вид бумаги, в то время как в оборудовании витковая изоляция может быть разной степени старения.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в преодолении недостатков существующего уровня техники и достижении технического результата, заключающегося в повышении достоверности и оперативности определения абсолютной фактической влажности бумажной изоляции маслонаполненных электрических аппаратов, а также в обеспечении возможности получения более точной оценки скорости старения твердой изоляции, в том числе, при определении нагрузочной способности маслонаполненных силовых трансформаторов.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ измерения влажности бумажно-масляной изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования, в котором: пропитывают трансформаторным маслом заранее заданное число образцов бумаги, используемой в качестве внутренней изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования; обеспечивают сборку из нескольких конденсаторов рядом один с другим, в каждом из которых изоляционный (диэлектрический) слой выполнен из одного из образцов бумаги; осуществляют калибровку сборки при ее погружении в трансформаторное масло с известной влажностью; погружают сборку в бак с трансформаторным маслом высоковольтного маслонаполненного оборудования; измеряют электрическую емкость каждого конденсатора сборки; определяют влажность конкретного образца бумаги по результатам измерений и данным калибровки.
Особенность способа по первому объекту изобретения состоит в том, что бумага в разных образцах может отличаться по своим характеристикам, выбранным из группы, включающей сорт бумаги, толщину бумаги, степень полимеризации бумаги.
Другая особенность способа по первому объекту изобретения состоит в том, что для пропитки бумаги могут выбирать то же самое трансформаторное масло, которое используют в высоковольтном маслонаполненном оборудовании.
Еще одна особенность способа по первому объекту изобретения состоит в том, что пропитку могут осуществлять в вакууме.
Еще одна особенность способа по первому объекту изобретения состоит в том, что в каждом из конденсаторов сборки могут заранее выполнять перфорацию для лучшего проникновения масла в бумагу.
Еще одна особенность способа по первому объекту изобретения состоит в том, что измерения электрической емкости могут выполнять после установления динамического равновесия влаги в масле и бумаге.
Наконец, еще одна особенность способа по первому объекту изобретения состоит в том, что сборку могут снабжать датчиком влажности трансформаторного масла и учитывать его показания при определении влажности конкретного образца бумаги.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство измерения влажности бумажно-масляной изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования, содержащее: общее основание из диэлектрического материала; заранее заданное число конденсаторных пластин из диэлектрического материала, размещенных на основании рядом одна с другой; выбранные по числу конденсаторных пластин и проложенные каждый между общим основанием с соответствующей конденсаторной пластиной образцы бумаги, используемой в качестве внутренней изоляции в оборудовании, заранее пропитанные трансформаторным маслом; при этом конденсаторные пластины со стороны, обращенной к общему основанию, и обращенные к ним участки общего основания покрыты слоем металлизации и снабжены электрическими выводами, проложенными по общему основанию.
Особенность устройства по второму объекту изобретения состоит в том, что бумага в разных образцах может отличаться по своим характеристикам, выбранным из группы, включающей сорт бумаги, толщину бумаги, степень полимеризации бумаги.
Другая особенность устройства по второму объекту изобретения состоит в том, что в конденсаторных пластинах, в участках общего основания напротив этих пластин и в образцах бумаги между ними может быть выполнена перфорация для лучшего проникновения трансформаторного масла в образцы бумаги.
Еще одна особенность устройства по второму объекту изобретения состоит в том, что общее основание с размещенными на нем конденсаторными пластинами может быть вставлено в перфорированный защитный чехол, предназначенный для установки в баке с трансформаторным маслом высоковольтного маслонаполненного оборудования, оставляя электрические выводы снаружи от бака.
Еще одна особенность устройства по второму объекту изобретения состоит в том, что он может дополнительно содержать датчик влажности трансформаторного масла, расположенный на общем основании рядом с конденсаторными пластинами.
Наконец, еще одна особенность устройства по второму объекту изобретения состоит в том, что он может дополнительно содержать датчик температуры, установленный на общем основании рядом с конденсаторными пластинами.
Следует специально отметить, что использование перфорированных пластин и, соответственно, перфорации в образцах бумаги обеспечивает дополнительный технический результат в виде улучшения и, следовательно, ускорения динамики миграции влаги из масла в бумагу и обратно при изменении влажности масла, что сокращает продолжительность установления динамического равновесия. А использование при этом датчика влажности масла обеспечивает еще один дополнительный технический результат в виде контроля в достижении динамического равновесия влажности бумаги и масла.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показан пример осуществления устройства по второму объекту настоящего изобретения.
На Фиг. 2 представлены по отдельности основание и конденсаторная пластина.
На Фиг. 3 изображен разрез устройства по Фиг. 1 при его погружении в трансформаторное масло.
На Фиг. 4 представлена последовательная сборка конденсаторов устройства по второму объекту настоящего изобретения.
На Фиг. 5 представлена параллельная сборка конденсаторов устройства по второму объекту настоящего изобретения.
На Фиг. 6 показано устройство по Фиг. 1, вставленное в перфорированный защитный чехол.
На Фиг. 7 изображено устройство по Фиг. 1 с установленным датчиком влажности масла.
Подробное описание вариантов осуществления
Устройство по второму объекту настоящего изобретения может быть выполнено следующим образом.
Устройство измерения влажности бумажно-масляной изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования содержит сборку из нескольких конденсаторов, размещенных рядом один с другим. На Фиг. 1-5 для большей наглядности показан пример осуществления такой сборки с единственным конденсатором. Сборка содержит общее основание 1 из диэлектрического материала, в качестве которого может быть выбран стеклотекстолит, гетинакс или любой иной изоляционный материал. Из такого же материала может быть изготовлено заранее заданное число конденсаторных пластин 2. На Фиг. 2 показаны те стороны общего основания 1 и конденсаторной пластины 2, которые в собранном состоянии обращены одна к другой. При этом показанная на Фиг. 2 сторона конденсаторной пластины 2 и соответствующий участок общего основания 1, обращенный в собранном состоянии к этой конденсаторной пластине 2, покрыты слоем 4 металлизации и снабжены сигнальными выводами 5 и 6, проложенными по общему основанию 1. Вместо металлизации может быть применен фольгированный текстолит с вытравленной топологией соединений. Таким образом, металлизированные поверхности конденсаторной пластины 2 и обращенного к ней при сборке участка общего основания 1 образуют обкладки конденсатора.
Ссылочными позициями 8 отмечены монтажные отверстия, служащие для прикрепления конденсаторной пластины 2 к общему основанию 1, а ссылочной позицией 9 отмечено контактное отверстие для соединения слоя 4 металлизации конденсаторной пластины 2 с сигнальным выводом 6 на общем основании 1. Специалистам понятно, что слой 4 металлизации вокруг монтажных отверстий 8 отстоит от их краев во избежание контактирования с используемыми крепежными элементами, к примеру, винтами (не показано).
Между общим основанием 1 и соответствующей конденсаторной пластиной 2 проложен образец 3 бумаги, используемой в качестве изоляции в высоковольтном маслонаполненном оборудовании. Этот образец 3 бумаги играет роль диэлектрической прокладки получающегося конденсатора. Бумага в разных образцах 3 может быть одной и той же, но предпочтительно, чтобы бумага в разных образцах отличалась по своим характеристикам. К примеру, образцы 3 бумаги могут отличаться по сорту, по толщине, по степени полимеризации (по степени старения).
Каждый такой образец 3 заранее пропитан трансформаторным маслом. Предпочтительно для этой пропитки образцов 3 бумаги выбирать такое же трансформаторное масло, которое используют в том высоковольтном маслонаполненном оборудовании, для которого осуществляют измерения влажности с использованием устройства по второму объекту настоящего изобретения. При этом целесообразно такую пропитку осуществлять в вакууме для исключения воздушных полостей и ускорения процесса пропитки.
В конденсаторных пластинах 2 и в обращенных к ним участках общего основания 1 предпочтительно выполнена перфорация 7 для лучшего проникновения трансформаторного масла в образцы 3 бумаги. Перфорационные отверстия сделаны и в самих образцах 3 бумаги, поскольку влага поступает в бумагу через торцы бумажных листов. На Фиг. 3 стрелками показано проникновение трансформаторного масла 10 через отверстия перфорации 7 в образцы 3 бумаги.
На Фиг. 4 и 5 показаны, соответственно, последовательная сборка и параллельная сборка конденсаторов. При этом ссылочными позициями 11 и 12 обозначены сигнальные выводы второго конденсатора, а ссылочными позициями 13 и 14 - сигнальные выводы третьего конденсатора.
Как показано на Фиг. 6, в устройстве по второму объекту настоящего изобретения общее основание 1 с размещенными на нем конденсаторными пластинами 2 может быть вставлено в перфорированный защитный чехол 15, предназначенный для установки в баке с трансформаторным маслом высоковольтного маслонаполненного оборудования. Этот чехол 15 может быть изготовлен из любого маслостойкого немагнитного материала: металла (алюминия, титана, латуни) или пластика (тефлона, полистирола и т.п.). При этом сигнальные выводы (не показано на Фиг. 6) остаются снаружи бака.
Согласно Фиг. 7 устройство по второму объекту настоящего изобретения может дополнительно содержать датчик 16 влажности трансформаторного масла, который расположен на общем основании 1 рядом с конденсаторными пластинами 2. Ссылочной позицией 17 обозначены выводы этого датчика 16. В качестве такого датчика можно использовать диэлькометрический датчик влажности либо любой иной, известный специалистам и представленный на рынке.
Устройство по второму объекту настоящего изобретения может дополнительно содержать датчик температуры (не показано), установленный на общем основании 1 рядом с конденсаторными пластинами 2 аналогично датчику 16 влажности трансформаторного масла. Это может быть датчик любой конструкции, позволяющий снимать показания и передавать результаты в виде электрических сигналов. Специалистам понятно, что показанное на Фиг. 7 местоположение любого датчика является чисто иллюстративным, и любой из двух указанных датчиков может размещаться в том числе с обратной стороны общего основания 1.
Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется с помощью описанного устройства следующим образом.
Образцы бумаги, используемой в качестве изоляции (преимущественно витковой) в высоковольтном маслонаполненном оборудовании (к примеру, в силовом трансформаторе) пропитываются трансформаторным маслом, предпочтительно тем же самым, которым наполнено это оборудование. Эти образцы могут быть выполнены из одной и той же бумаги для повышения точности последующих измерений. Однако предпочтительно, чтобы бумага в образцах была разная: это может быть кабельная бумага с различной степенью полимеризации (СП), характеризующей степень ее старения (см., например, «Методические указания по оценке состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов по степени полимеризации» - https://library-full.nadzor-info.ru/doc/51317). Например, могут быть выбраны образцы из свежей бумаги (СП≈1200), бумаги со средней степенью состаренности (СП≈600) и состаренная бумага (СП≈300).
Пропитку бумаги трансформаторным маслом предпочтительно осуществляют в вакууме для ее ускорения и повышения качества пропитки.
Пропитанные трансформаторным маслом образцы бумаги укладывают на общем основании 1, накрывая каждый образец 3 бумаги своей конденсаторной пластиной 2, которую крепят к общему основанию 1 подходящими крепежными элементами через монтажные отверстия 8. Металлизацию 4 каждой конденсаторной пластины 2 соединяют через контактное отверстие 9 с соответствующим сигнальным выводом 6, 12, 14 (см. Фиг. 1, 6, 7).
Следует отметить, что в общем основании 1, в конденсаторных пластинах 2 и в образцах 3 бумаги может быть выполнена перфорация 7 для лучшего проникновения масла в бумагу, как показано на Фиг. 3.
На общем основании 1 могут быть размещены датчик влажности 16 масла и датчик температуры (см. Фиг. 7). Следует подчеркнуть, что конденсаторные пластины 2 и упомянутые датчики размещаются на общем основании 1 в непосредственной близости друг к другу для обеспечения идентичности температурных условий и условий влагосодержания масла.
Подготовленную таким образом сборку из одного или нескольких конденсаторов погружают в трансформаторное масло с известной влажностью и осуществляют калибровку готовой сборки. Для этого измеряют электрическую емкость каждого конденсатора сборки при различной влажности трансформаторного масла, и результаты этих измерений заносят в память подходящего вычислительного средства, к примеру, персонального компьютера или контроллера. Вычислительное средство может входить в состав устройства по второму объекту настоящего изобретения.
Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется с помощью устройства по второму объекту настоящего изобретения следующим образом.
Сначала пропитывают трансформаторным маслом заранее заданное число образцов 3 бумаги, используемой в качестве внутренней изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования, например, силового трансформатора. Образцы 3 бумаги могут быть как одинаковыми, так и отличными по своим характеристикам, которые выбирают из группы, включающей сорт бумаги, толщину бумаги, степень полимеризации бумаги. Пропитку предпочтительно осуществляют в вакууме, причем для пропитки бумаги могут выбирать то же самое трансформаторное масло, которое используют в проверяемом высоковольтном маслонаполненном оборудовании (силовом трансформаторе).
Пропитанные трансформаторным маслом образцы 3 бумаги используют в качестве изоляционного слоя в нескольких конденсаторах, расположенных в сборке рядом один с другим. В каждом из конденсаторов этой сборки изоляционный слой выполнен из одного из пропитанных образцов бумаги. Как отмечено выше, в обкладках конденсаторов может быть выполнена перфорация 7 для лучшего проникновения масла в бумагу, расположенную между обкладками конденсаторов. Кроме того, рядом с конденсаторами в сборке могут быть размещены датчик 16 влажности масла и датчик температуры.
После подготовки такой сборки конденсаторов осуществляют ее калибровку при ее погружении в трансформаторное масло с известной и постоянной влажностью. Затем погружают откалиброванную сборку в бак с трансформаторным маслом контролируемого высоковольтного маслонаполненного оборудования (силового трансформатора). Эта сборка может быть вставлена в перфорированный защитный чехол 15.
Для измерения влажности бумажно-масляной изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования измеряют электрическую емкость каждого конденсатора этой сборки, установленной в баке с трансформаторным маслом проверяемого оборудования.
В находящемся в работе высоковольтном маслонаполненном оборудовании продолжительность установления полного равновесия влаги между маслом и бумагой является неприемлемой для целей измерения влагосодержания витковой изоляции, учитывая нестабильность температуры и малые скорости миграции влаги из масла в бумагу и обратно. Миграция влаги возникает из-за изменения температуры масла как при суточных колебаниях температуры окружающей среды, так и из-за изменяющейся электрической нагрузки. Настоящее изобретение позволяет, не дожидаясь наступления равновесного состояния, измерять фактическое (а не равновесное) влагосодержание витковой изоляции в текущих условиях, определяемое скоростью миграции влаги в бумагу и обратно при изменении температуры. Таким образом, будут получены в непрерывном режиме более точные результаты контроля влагосодержания бумаги в текущих условиях без вывода оборудования (силового трансформатора) из работы.
На сегодняшний день в соответствии с нормативными документами (см., например, Методические указания по определению влагосодержания твердой изоляции обмоток силовых трансформаторов (шунтирующих реакторов) по результатам измерения диэлектрических характеристик. Утверждены ОАО РАО «ЕЭС России» 21.06.2007 г.) влагосодержание бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов можно определить косвенным методом без отбора проб бумаги при измерениях на отключенном (выведенном из работы) оборудовании. Измеряют емкость и тангенс угла диэлектрических потерь междуобмоточной изоляции, а также тангенс угла диэлектрических потерь масла при той же температуре и вычисляют по этим данным среднее влагосодержание твердой изоляции с использованием зависимостей тангенса угла потерь твердой изоляции обмоток трансформатора от температуры и влажности. Для вычислений, кроме прочего, необходимо знание конструкции оборудования, а именно геометрических параметров внутренней твердой изоляции.
Другим регламентированным косвенным методом без отбора проб бумаги можно определить влагосодержание картона (Приложение В в СТО РусГидро 02.03.77-2011 Гидроэлектростанции. Продление срока службы основного оборудования в процессе эксплуатации. Нормы и требования) во внутренней изоляции силовых трансформаторов. Однако, наиболее слабым элементом изоляционной системы трансформатора является витковая изоляция, и контролировать необходимо влагосодержание именно этой изоляции. При этом, трансформатор переводят в специальный режим работы для прогрева до 65±5°С с выдержкой на протяжении трех суток, в течение которых выполняют измерения влагосодержания масла с последующим пересчетом на влагосодержание картона.
Из практики известно, что для установления полного равновесия влаги между маслом и бумажной изоляцией силовых трансформаторов трех суток недостаточно (характерная продолжительность составляет 1-3 месяца). Поэтому в обоих регламентированных методах получают значение влагосодержания еще не для равновесного распределения влаги между бумагой и маслом, но уже и не в режиме эксплуатации, что зачастую приводит к завышенным результатам влагосодержания твердой изоляции из-за сочетания температуры масла в момент отбора и предыдущего режима работы (характера изменения нагрузки) оборудования.
В то же время в соответствии с настоящим изобретением при одновременном использовании датчика влажности масла можно вычислить равновесное влагосодержание витковой изоляции, что позволит определить отличие значения влагосодержания, определенного косвенным методом, от значения фактического влагосодержания и временные параметры миграции влаги.
Следует отметить, что если датчики влажности масла и температуры не предусмотрены, измерения начинают по истечении заранее заданного периода времени, определяемого по результатам предшествующих испытаний или из справочных данных.
По результатам выполненных измерений с учетом данных осуществленной ранее калибровки определяют влажность конкретного образца бумаги.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата, состоящего в повышении достоверности и оперативности определения абсолютной фактической влажности бумажной изоляции маслонаполненных электрических аппаратов за счет прямого измерения влажности без пересчета из влагосодержания масла или диэлектрических характеристик масла и между обмоточной изоляции.
В настоящем изобретении также обеспечивается возможность уточнения оценки скорости старения твердой изоляции, в том числе, при определении нагрузочной способности маслонаполненных силовых трансформаторов и автотрансформаторов.