Способ контроля состояния изоляции обмоток силового трансформатора без его отключения от сети
METHOD FOR MONITORING THE STATE OF INSULATION OF THE WINDINGS OF A POWER TRANSFORMER WITHOUT DISCONNECTING IT FROM THE NETWORK

Изобретение относится к области измерения электрических и магнитных величин, а именно к измерению отношений токов и напряжений и их направления, а также для измерения диэлектрических постоянных и может быть использовано для установления значения тангенса угла диэлектрических потерь и абсолютной величины утечки тока через изоляцию трансформатора для каждой из обмоток в отдельности без необходимости его отключения от сети, вследствие чего повышается оперативность реагирования на возникновение и развитие дефектов в силовых трансформаторах.
Известен способ контроля технического состояния силовых трансформаторов напряжением 35 кВ и выше, заключающийся в том, что периодичность контроля параметров трансформатора, влияющих на диэлектрические характеристики масла и твердой изоляции, устанавливается в зависимости от стабильности масел против окисления при измерении следующих параметров для трансформаторов со сроком эксплуатации до 35 лет:
- тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) изоляции обмоток;
- кислотное число масла;
- тангенс угла диэлектрических потерь масла при 90°С;
- содержание водорастворимых кислот и щелочей масла;
- содержание антиокислительной присадки масла
с учетом высокой стабильности к окислению гидрокрекинговых масел при сроке эксплуатации до 35 лет (патент RU 2751453С1, МПК G01R 31/10 (2006.01)).
Однако в основе данного способа лежит только изменение периодичности проведения измерений и испытаний от установленных объемов и норм испытаний электрооборудования, утвержденных соответствующими нормативными документами на основании полученных закономерностей изменения характеристик трансформаторов. Основным недостатком указанного способа является необходимость отключения трансформатора для проведения испытаний и измерений, связанных с диагностикой состояния изоляции обмоток трансформатора.
Известен способ контроля состояния изоляции трансформаторов, заключающийся в измерении параметров частичных разрядов и определения по их величинам состояния изоляции трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля за счет увеличения чувствительности и помехозащищенности, измерение параметров частичных разрядов производят между магнитопроводом и баком трансформатора (патент SU 1260882А1, МПК G01R 31/12 (2000.01).
Основным недостатком указанного способа является необходимость отключения трансформатора для проведения испытаний и измерений, связанных с диагностикой состояния изоляции обмоток трансформатора, а также тот факт, что оценка состояния изоляции трансформаторов на основании измерения параметров частичных разрядов подвержена влиянию помех от различных источников.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату - прототипом - является способ контроля внутренних обмоток силовых трансформаторов, заключающийся в определении фактического значения сопротивления короткого замыкания внутренних обмоток силового трансформатора, сравнения этого значения с эталонным, суждении по превышению определенной величины над эталонной о степени деформации контролируемой обмотки, отличающийся тем, что, с целью обеспечения непрерывности контроля внутренних обмоток трансформатора, измеряют векторы напряжений первичной и вторичной внутренних обмоток силового трансформатора, нормируют, определяют разность нормированных векторов напряжений этих обмоток, измеряют величину тока вторичной обмотки силового трансформатора, определяют отношение разности нормированных векторов напряжений первичной и вторичной обмоток к величине этого тока, измеряют частоту напряжения силового трансформатора, находят отношение измеренного значения частоты к эталонному и определяют величину сопротивления короткого замыкания как произведение отношений разности векторов напряжений обмоток к величине тока и измеренной частоты к эталонной (патент SU 1221620 А1, МПК G01R 31/06 (2000.01).
Основным недостатком данного способа является то, что оценка состояния обмоток силовых трансформаторов производится на основании данных о сопротивлении короткого замыкания обмоток силовых трансформаторов, что не позволяет учесть диэлектрические параметры изоляции обмоток, такие как ток утечки через изоляцию и тангенс угла диэлектрических потерь изоляции обмоток трансформатора, что не позволяет наиболее полно производить диагностику состояния обмоток силового трансформатора без его отключения от сети.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании способа контроля состояния изоляции обмоток силового трансформатора без его отключения от сети, при использовании которого возможно производить определение состояния изоляции обмоток силового трансформатора в произвольный момент времени в процессе эксплуатации для повышения оперативности реагирования на возникновение и развитие дефектов в силовых трансформаторах с целью принятия мер по предотвращению возникновения аварийных ситуаций и нарушения технического состояния электрооборудования.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в способе контроля состояния изоляции обмоток силового трансформатора без его отключения от сети определяют значения тангенса угла диэлектрических потерь и абсолютной величины утечки тока через изоляцию для каждой из первичных и вторичных обмоток силового трансформатора в отдельности и по их величинам определяют состояние изоляции обмоток силового трансформатора, причем с целью обеспечения непрерывности контроля состояния изоляции, измерение необходимых значений и оценку состояния изоляции проводят без отключения от сети, согласно изобретению, с целью обеспечения непрерывности контроля состояния изоляции обмоток трансформатора, измеряют величины напряжения, приложенного к каждой из обмоток силового трансформатора, и величины токов, втекающих и вытекающих из каждой обмотки силового трансформатора, определяют абсолютную величину тока утечки через изоляцию каждой обмотки силового трансформатора как векторную разность между втекающим и вытекающим из обмоток токами, определяют тангенс угла диэлектрических потерь в каждой обмотке силового трансформатора как тангенс угла сдвига фазы между вектором тока утечки, представляющим собой векторную разность между втекающим и вытекающим из обмоток токами, и вектором емкостной составляющей тока утечки через изоляцию соответствующей обмотки.
Ввиду того, что трансформаторное оборудование, а именно силовые трансформаторы, являются наиболее важным элементом электрических станций и подстанций по причине высокой стоимости как самого оборудования, так и его ремонта или замены, непрерывный контроль за их состоянием является важнейшим условием снижения величины издержек электросетевых компаний в случае возникновения или развития технологических нарушений в электрических сетях.
На данный момент оценка состояния силовых трансформаторов выполняется на основании действующих нормативных документов, в которых определяются сроки, объем и нормы испытаний электрооборудования. Согласно данным документам, измерения, связанные с определением диэлектрических параметров изоляции обмоток трансформаторов, проводятся на отключенном оборудовании и подразумевают использование специализированных приборов и устройств для проведения измерений.
Для оценки состояния изоляции обмоток силового трансформатора без его отключения от сети предлагается использовать значение тангенса угла диэлектрических потерь и абсолютной величины утечки тока через изоляцию для каждой из обмоток в отдельности.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена упрощенная принципиальная схема типичного трехфазного силового трансформатора с необходимыми измерительными устройствами; на фиг. 2 - графическое изображение процессов протекания электрического тока в обмотках силового трансформатора; на фиг. 3 - графическое изображение процесса определения угла диэлектрических потерь в изоляции обмоток силового трансформатора; на фиг. 4 - векторная диаграмма токов и напряжений в обмотке силового трансформатора.
Для реализации описываемого способа контроля состояния изоляции обмоток силового трансформатора без его отключения от сети потребуется обеспечить силовой трансформатор некоторым количеством измерительных устройств для измерения величин необходимых параметров (фиг. 1). В таком случае изобретение будет реализовано следующим образом: на каждую первичную обмотку 1 и вторичную обмотку 2 силового трансформатора устанавливаются измерительные устройства для измерения величины протекающего в обмотках электрического тока 3 в количестве двух единиц для измерения значений втекающих и вытекающих из обмотки токов, а также измерительные устройства для измерения величины приложенного напряжения 4 в количестве одной единицы для измерения значений величины напряжения, приложенного к соответствующей обмотке силового трансформатора. При этом магнитопровод 5 заземлен. При этом схема соединения обмоток может быть выбрана любой: как «звезда», так и «треугольник» или «зигзаг».
Одновременное измерение величин тока и напряжения необходимо для обеспечения возможности определения угла сдвига фазы между втекающим в обмотку и вытекающим из обмотки током и напряжением, а также углом сдвига фазы между током утечки и напряжением, приложенным к обмотке.
Процесс протекания электрического тока в обмотках трансформатора (фиг. 2) на примере первичных обмоток 1 силового трансформатора, соединенной по схеме соединения «звезда» осуществляется следующим образом: часть тока, втекающего в первичную обмотку 1 силового трансформатора, неизбежно вытекает через ее изоляцию на заземленный магнитопровод 5 силового трансформатора. Оставшаяся часть вытекает из первичной обмотки 1 силового трансформатора в основную цепь протекания электрического тока. Ток утечки обусловлен конечным активным сопротивлением изоляции первичных обмоток 1 силового трансформатора и наличием емкости первичных обмоток 1 силового трансформатора относительно заземленного магнитопровода 5 силового трансформатора.
Способ контроля состояния изоляции обмоток силового трансформатора без его отключения от сети основан на измерении следующих показателей:
i
- напряжение, приложенное к каждой из обмоток трансформатора, U,
1i
- ток, втекающий в обмотку трансформатора I;
2i
- ток, вытекающий из обмотки трансформатора I.
Очевидно, что в данном случае абсолютная величина тока утечки через изоляцию для выбранной обмотки силового трансформатора ΔI определяется по формуле (1):
i
Ток утечки ΔI имеет активно-емкостный характер и описывается выражением (2):
iR
где ΔI - активная составляющая тока утечки через изоляцию;
ic
iC
i
ΔI - емкостная составляющая тока утечки через изоляцию (вектор ΔI перпендикулярен вектору U).
iC
iR
Причем для нормального состояния изоляции ΔI >> AI, что говорит о преобладании емкостной составляющей в токе утечки через изоляцию, что, учитывая относительно малую емкость обмоток 1, 2 силового трансформатора относительного магнитопровода 5 силового трансформатора, говорит о высоком активном сопротивлении изоляции обмоток трансформатора.
Угол диэлектрических потерь в изоляции 8 (фиг. 3), характеризующий величину активной составляющей тока утечки, тангенс которого является одним из основных показателей состояния изоляции обмоток трансформатора может быть определен из выражения (3).
где ϕ - угол сдвига фазы между током утечки и напряжением, приложенным к обмотке.
Таким образом, определение угла сдвига фазы между током утечки и напряжением, приложенным к обмотке трансформатора, позволяет вычислить угол диэлектрических потерь в изоляции обмоток трансформатора и на его основании оценить состояние их изоляции.
Одновременное измерение токов и напряжений в обмотке позволяет одновременно измерить как абсолютную величину тока утечки через изоляцию (определяемую как разность втекающего и вытекающего из обмотки токов), так и сдвиг фаз между данным током и напряжением, приложенным к обмотке.
i
Процесс определения величины тока утечки ΔI и угла сдвига фазы ϕ между током утечки и напряжением может быть отражен на векторной диаграмме токов и напряжений в обмотке трансформатора (фиг. 4).
i
Использование представленного способа организации непрерывного контроля за состоянием изоляции обмоток трансформатора позволяет производить диагностику состояния в любом режиме работы трансформатора по причине независимости проведения измерений по указанному способу от внешних цепей системы электроснабжения. Применение данного способа целесообразно и эффективно по причине того, что на основании анализа изменения величины тока утечки ΔI и угла сдвига фазы ϕ между током утечки и напряжением с течением времени в реальных условиях эксплуатации можно делать выводы касательно текущего технического состояния трансформаторного оборудования и оценивать остаточный ресурс его работы.
Очевидно, что точность получаемых результатов будет определяться точностью конечных измерительных устройств. Погрешность, вносимая расчетами, отсутствует по причине обеспечения возможности прямого измерения требуемой величины.
i
В зависимости от условий эксплуатации измеряемые параметры, а именно величина тока утечки ΔI и угол сдвига фазы ϕ между током утечки и напряжением могут изменяться по причине нарушения состояния изоляции (увлажнение, механические повреждения и другое), однако непрерывный контроль за состоянием изоляции предполагает возможность анализа состояния изоляции в динамике за неопределенный промежуток времени. В данном случае при резком ухудшении параметров изоляции обмоток трансформатора возможно будет определить причину на основании анализа изменения условий эксплуатации (погодные условия, технологические нарушения, проведение ремонт и/или технического обслуживания трансформатора) и своевременно принять меры по устранению - к примеру - провести ревизию трансформаторного масла и/или подсушку обмоток - с целью приведения параметров изоляции обмотки к ранее наблюдаемому состоянию. Данные действия могут значительно продлить срок службы трансформатора и предотвратить внезапный выход из строя по причине нарушения сопротивления изоляции обмоток.
Стоит отметить, что в эксплуатации значение tgδ не нормируется, но оно должно
учитываться при комплексной оценке результатов измерения состояния изоляции. Измерения в процессе эксплуатации проводятся при неудовлетворительных результатах испытаний масла и (или) хроматографического анализа растворенных в масле газов, а также в объеме комплексных испытаний. Результаты измерений tgδ изоляции обмоток, включая динамику их изменений, должны учитываться при комплексном рассмотрении данных всех испытаний.
Проведенное исследование показало, что применение представленного способа для оценки состояния изоляции обмоток силового трансформатора целесообразно и эффективно. Точность получаемых данных зависит от точности конечных измерительных устройств и является достаточной для практических целей. В ходе выполнения расчетов погрешность не вносится.
Таким образом, при помощи предлагаемого способа контроля состояния изоляции обмоток силового трансформатора без его отключения от сети возможно в непрерывном режиме проводить оценку состояния изоляции обмоток силового трансформатора, в результате чего обеспечивается объективная оценка состояния изоляции обмоток трансформатора в эксплуатации, а также возможность для обоснованного прогнозирования сроков и объема технического обслуживания и ремонтов силового трансформатора.