Проверка надежности конструкции и электродинамические испытания силового трансформатора мощностью 250 МВА напряжением 220 кВ

ПРОВЕРКА НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА МОЩНОСТЬЮ 250 МВА НАПРЯЖЕНИЕМ 220 КВ

А.Ю. ХРЕННИКОВ

ОАО “Федеральная сетевая компания ЕЭС”

Статья посвящена вопросам повышения электродинамической стойкости обмоток силовых трансформаторов к воздействию токов короткого замыкания (КЗ). Приведены осциллограммы токов и напряжений трансформатора типа ТДЦ-250000/220 в ходе опыта КЗ. Рассмотрены электродинамические силы в обмотках трансформатора во время испытаний на стойкость токам КЗ. Сделаны важные выводы по усилению конструкции головного образца трансформатора типа ТДЦ-250000/220.

В процессе эксплуатации силовые трансформаторы испытывают за время «своей жизни», как правило, несколько близких коротких замыканий (КЗ). Режим КЗ всегда опасен для обмоток трансформатора и требует всестороннего анализа: величин токов КЗ, протекающих через обмотки, конфигурации схемы в момент КЗ и других факторов.

Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость обмоток при протекании сквозных токов КЗ служат инструментом для повышения надежности их конструкции и обеспечения бесперебойности электроснабжения потребителей электроэнергии. С 1993-1994 гг. такие испытания на стойкость токам КЗ не проводятся в полном объеме, допускается подтверждать электродинамическую стойкость обмоток трансформаторов расчетами [1-5].

На мощном испытательном стенде (МИС) в г. Тольятти за период 1983-1994 гг. было испытано в различных режимах около 30 силовых трансформаторов и реакторов мощностью от 25 МВА до 666 МВА и классов напряжения от 110 кВ до 1150 кВ.

На МИС были разработаны временные схемы с использованием имеющегося оборудования, позволяющие проводить испытания мощных трансформаторов от сети 500 кВ. В режиме опытов, определяющих стойкость к токам КЗ по ГОСТ 20243-88, испытаны, например, блочные трансформаторы типа ТДЦ-400000/220, ОДЦ-333000/750, ТДЦ-250000/220, ТДЦ-80000/110, автотрансформатор типа АТДТН-63000/220/110, сверхмощный трансформатор типа ТЦ-666000/500 для Рогунской ГЭС, трансформатор мощность 320 МВА для ЛЭП постоянного тока, автотрансформаторы АТДЦТН-125000/220/110 и АОДЦТНО-167000/500/220 для связи энергосистем 500 и 220 кВ. В режимах многократных толчков тока, соответствующих рабочим нагрузкам, прошли испытания трансформаторы типа ЭТЦНКД-160000/110, ЭТЦНДТ-160000/35, ТРДЦНМ-100000/200000/220 для металлургического производства (имитация толчков тока нагрузки в количестве 300 тысяч опытов). Мощность короткого замыкания на шинах МИС составляла 12-18 ГВА, испытания проводились от сети 500 кВ, трансформаторы на площадке МИС испытывались в баке с маслом [1, 2, 3, 5].

При электродинамических испытаниях использовались комплексы электротехнического оборудования различных классов напряжения,

© А.Ю. Хренников

Проблемы энергетики, 2008, № 1-2

расположенного на МИС, высоковольтные тиристорные вентили (ВТВ) с системами управления для коммутации и регулирования различных процессов. В качестве ударных (промежуточных) использовались однофазные группы преобразовательных трансформаторов. Коммутация в нужный момент времени осуществлялась ВТВ, которые работали в данном случае в режиме тиристорного ключа [1, 2, 3, 5]

Натурные испытания на стойкость токам КЗ позволяют выявить в головном образце трансформатора (реактора) слабые места в конструкции, а затем внести изменения в конструкцию его обмоток по результатам испытаний и разборки на заводе-изготовителе. Трансформатор нового типоисполнения запускается в серийное производство только с учетом этих изменений [1, 2, 3, 6].

Процедура подготовки и проведения электродинамических испытаний силовых трансформаторов включает в себя: разработку и согласование программы испытаний, расчет параметров схемы испытаний и величины нормированных токов КЗ, перекатку, монтаж и установку испытуемого трансформатора на испытательной площадке, установку и подключение датчиков для контроля величины токов КЗ (например, малоиндуктивных шунтов), величины напряжения в различных точках схемы и на объекте испытаний (делителей напряжения), тензодатчиков на стенке бака трансформатора и др. Проведение контрольных диагностических измерений до и между опытами КЗ позволяет зафиксировать состояние активной части до испытаний и оценивать его между опытами КЗ с целью не довести обмотки трансформатора до разрушения [1, 2, 3, 6].

В ходе электродинамических испытаний силовых трансформаторов режим КЗ создается и нормируется искусственным образом на специальных стендах или в лабораториях. В процессе эксплуатации КЗ возникают часто по независящим от персонала причинам.

Согласно автору [7], электромагнитная сила, действующая на элемент тока, находящийся в магнитном поле, может быть определена по закону Био-Савара в дифференциальной форме:

где йК - вектор силы, действующей на элемент проводника объемом (у, находящийся в поле с индукцией В при плотности тока ]. Векторное произведение в правой части равенства показывает, что сила перпендикулярна направлению индукции и направлению плотности тока. Направление силы, индукции и плотности тока связаны правилом левой руки [7].

Сила, действующая на обмотку или часть ее, может быть вычислена путем интегрирования уравнения

Если В и ] перпендикулярны друг другу и постоянны по всему объему, то

где і - длина провода катушки или обмотки, а і - ток в ней [7].

В случае возникновения режима короткого замыкания (КЗ) в результате внутреннего повреждения обмоток трансформатора в процессе эксплуатации или при электродинамических испытаниях на стойкость токам КЗ при искусственном

( = [ВІ] (у ,

V

¥= Віі,

закорачивании выводов обмоток наибольший установившийся ток КЗ по стороне ВН в двухобмоточном режиме без учета промежуточных элементов схемы составит

т _ ^ном .отв. , .

кзВН _Л( Zтр. + Zc ) ’

где U ном. отв. - номинальное напряжение отпайки трансформатора; тогда сопротивление КЗ трансформатора составит

uк (%) х U 2

к ном.отв. /Ґ\

Z тр.-------------------

100 х 5 „оМ.

сопротивление КЗ сети составит ис ном.

^ = ^----------,

5 КЗ_с

где ис ном - номинальное напряжение сети; 5кз с - мощность КЗ системы,

определяемая мощностью сети.

Коэффициент трансформации равен

К = -^ВН,

" ш 4 '

К НН

где ^вн - число витков обмотки ВН; Кнн - число витков обмотки НН. Установившийся ток в обмотке НН составит

1 кз НН = 1 кз ВН х К т .

Нормируемые значения апериодических составляющих (ударных) токов КЗ составят:

1 апер. ВН = У^2К уд.1 кз ВН ,

1 апер. НН = ‘^2Куд.1 кз НН ,

где К уд.- значение ударных коэффициентов тока КЗ, согласно [8] для мощных трансформаторов принимается К уд. = 1,8 [8, 9].

Как видно из выражений (1-10), тяжесть и последствия для обмоток силовых трансформаторов от воздействия токов КЗ в процессе эксплуатации зависят от ряда факторов: мощности КЗ системы и номинальной мощности трансформатора, конфигурации схемы присоединения трансформатора, конструктивного исполнения трансформатора, технического состояния самого трансформатора (наличия остаточных деформаций, очагов интенсивных ЧР в изоляции, сколько КЗ случилось на нем за период эксплуатации и др.), удаленности трансформатора от мощных источников генерации в системе, т.е. от

суммарного сопротивления промежуточных элементов схемы, от значения ударного коэффициента К уд, определяющего величину первого, наиболее

опасного пика апериодической составляющей тока КЗ, быстродействия защит и надежной работы коммутационных аппаратов, от других факторов и обстоятельств [10].

Далее рассмотрим результаты электродинамических испытаний на стойкость при КЗ на конкретном примере. Трансформатор типа ТДЦ-250000/220 -трехфазный, двухобмоточный. Обмотка ВН трансформатора - непрерывная, число параллельных проводов 12, состоит из трех видов катушек, марка провода ПБПУ-1,80*10,0/2,0-3 и ПБПУ-2,00*10.00/1,36-3. Обмотка НН - винтовая, двухходовая, число параллельных проводов 25*3*2, марка провода ПТБ-((2,24*7,50)/0,72)*25 ТУ 16-505367-77. Обмотка НН фаз "А" и "С" выполнена из транспонированного провода, фаза "В" - из провода со склейкой элементарных проводов стеклолентой. Схема соединения обмоток НН - треугольник, соединенный внутри бака трансформатора. На период проведения испытаний треугольник искусственно размыкался с выводом одного конца обмотки на крышку бака трансформатора для пофазных испытаний и для удобства измерений.

Перед испытаниями на МИС проводилась ревизия трансформатора с подъемом колокола (бака), в ходе которой измерялись усилия прессовки обмоток, действущие на прессующие устройства. Перед опытами КЗ измерялись паспортные характеристики: сопротивление изоляции, потери х.х., тангенс диэлектрических потерь изоляции, омическое сопротивление обмоток постоянному току, коэффициент трансформации, а также измерение индуктивного сопротивления КЗ, импульсное дефектографирование методом НВИ обмоток трансформатора и хроматографический анализ трансформаторного масла [3, 10, 11].

Расчеты электродинамической стойкости обмоток трансформатора выполнялись СПКТБ ОАО "Трансформатор". По результатам расчета наибольшее значение суммарного напряжения от радиальных и осевых усилий на обмотку ВН составляло о Е = 104 МПа, а на обмотку НН о Е = 55,4 МПа, т.е. запас прочности по радиальной устойчивости по обмотке ВН был равен 1,05, а по обмотке НН - 1,97.

Нормируемое значение ударной составляющей тока КЗ для обмотки ВН составило в ходе опытов КЗ 12,4 кА, для НН - 110,2 кА (рис. 1) На рис. 1 хорошо видно искажение синусоидальности токов в неиспытуемых фазах «В» и «С», связанное с явлением насыщения магнитопроводов.

102,043 кЛ / 12,301 кА 1

/ 6,876 к Л

1 2 М Л4"

~ТГ

3/4/

Рис. 1. Осцилограммы токов в обмотках ВН и НН трансформатора типа ТДЦ-250000/220 в ходе 1-го зачетного опыта КЗ: 1-ВН фаза «А»; 2- НН фаза «В»; 3- ВН фаза «С»; 4- ВН фаза «В»

Для получения нормируемых параметров токов КЗ (фаза "А”) использовалась схема испытаний, в которой сетевые обмотки (СО) промежуточной трансформаторной группы ТГ-1 типа ОДЦТРН-175000/400 были соединены в параллель и работали в автотрансформаторном режиме, а вентильные обмотки (ВО) использовались как соединенные в параллель индуктивности.

Между фазой "А" испытуемого трансформатора ТДЦ-250000/220 и промежуточной трансформаторной группой было включено токоограничивающее

активное сопротивление Яд (провод из нихрома). Включение схемы осуществлялось с помощью тиристорных блоков типа ВТСВ-800/470, которые использовались в опыте КЗ как тиристорные ключи и с помощью угла открывания тиристоров регулировалась величина тока КЗ с максимальным значением апериодической составляющей. Через 0,03 секунды происходила с помощью шунтирующего выключателя ВВ-3 шунтировка блоков ВТСВ, и в дальнейшем создавалось только установившееся значение тока КЗ. Таким образом ограничивалось время воздействия на испытуемое оборудование наиболее опасной апериодической составляющей тока КЗ.

В связи с тем, что в силовой схеме испытаний (рис. 2) были задействованы промежуточные трансформаторы, магнитопроводы которых от опыта к опыту насыщаются, перед проведением зачетных опытов была отработана методика проведения опыта намагничивания трансформаторов (промежуточных трансформаторов и собственно испытуемого трансформатора).

Рис. 2. Осцилограммы напряжений на трансформаторе типа ТДЦ-250000/220 в ходе 1-го

зачетного опыта КЗ на фазе «В»

На рис. 2 показаны осцилограммы напряжений на трансформаторе типа ТДЦ-250000/220 в ходе 1-го зачетного опыта КЗ на фазе «В». [6, 10, 11].

Анализ результатов испытаний после разборки трансформатора на заводе-изготовителе показал, что обмотка НН фаз "А" и "С" из провода с бумажной

изоляцией между рядами не обладает достаточной радиальной стойкостью к токам КЗ. Характер остаточных деформаций на фазах "А" и "С" аналогичен и показывает, что потеря радиальной стойкости начинается при 85% нормируемого значения ударного тока КЗ на фазе "А" и развивается при 100% нормируемого ударного тока КЗ на фазе "С".

Испытания фазы "В" с обмоткой НН, изготовленной из того же провода со склейкой элементарных проводников и стеклолентой между рядами, показали значительное увеличение радиальной стойкости указанной обмотки, что подтверждается отсутствием радиальных деформаций в обмотке НН в опытах со значением тока КЗ 72,9%, 90%, 97,1 и 107,4%.

Проведенные испытания показали недостаточную прочность отдельных элементов прессующей конструкции из-за дефекта изготовления и конструкторской недоработки. Выявлено, что на всех фазах под прессующие винты установлены металлические пяты меньшей толщины, чем предусмотрено заводскими чертежами, прессующие винты смещены к наружному краю кольца.

По результатам испытаний рекомендовано:

- применить во всех обмотках НН трансформатора ТДЦ-250000/220 склеенный транспонированный провод;

- в прессующей системе обеспечить крепление кронштейнов с винтами от выпадания при потере прессовки;

- увеличить диаметр винтов и опорную площадь пят;

- проконтролировать правильность расположения прессующих винтов относительно среднего диаметра прессующего кольца;

- сместить вниз обмотку НН на расстояние, обеспечивающее симметричное расположение обмоток НН и ВН, с целью снижения осевых сил на кольцо обмотки НН;

- усилить болты крепления отводов обмотки НН.

При выполнении указанных рекомендаций трансформатор соответствует требованиям ГОСТ 11677-83 в части стойкости при КЗ [1-3, 5, 10, 11].

Выводы

1. Технические возможности стенда в г. Тольятти позволили обеспечить проведение электродинамических испытаний таких сверхмощных трансформаторов, как ТЦ-666000/500, ТДЦ-400000/220, ОДЦ-333000/750 и др.

2. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость обмоток при протекании сквозных токов КЗ служат инструментом для повышения надежности их конструкции.

3. Проведенные электродинамические испытания показывают эффективность применения разработанной методики сетевых натурных испытаний, методов комплексного дефектографирования до, между и после опытов КЗ, специальных исследовательских испытательных режимов для проектирования и эксплуатации мощных и сверхмощных трансформаторов и реакторов.

4. Как показал опыт электродинамических испытаний на стойкость к токам КЗ силового трансформатора типа ТДЦ-250000/220 в реальных условиях сетевого стенда (в баке с маслом), при расчетах токов КЗ не в полной мере учитывалось насыщение магнитопровода трансформатора, которое может приводить к ошибке в расчетах величин токов КЗ и, соответственно, в величинах создаваемых ими усилий в обмотках.

5. Испытания на стойкость к токам КЗ трансформатора типа ТДЦ-250000/220 показали, что обмотки НН фаз "А" и "С" из провода с бумажной изоляцией между рядами не обладают достаточной радиальной стойкостью. Испытания обмотки НН фаза "В" со склейкой элементарных проводников и стеклолентой между рядами показали увеличение радиальной стойкости на 15% - 30%.

6. По результатам испытаний на стойкость к токам КЗ трансформатора типа ТДЦ-250000/220 выработаны рекомендации по усилению конструкции активной части трансформатора для завода-изготовителя.

7. Тяжесть и последствия для обмоток силовых трансформаторов от воздействия токов КЗ в процессе эксплуатации зависят от ряда факторов: мощности КЗ системы, номинальной мощности трансформатора; конфигурации схемы присоединения; конструктивного исполнения; технического состояния трансформатора (наличия деформаций, очагов ЧР, количества КЗ за период эксплуатации и др.); удаленности трансформатора от мощных источников генерации в системе; от значения Куд.; быстродействия защит и надежной работы коммутационных аппаратов.

Summary

The paper was devoted by an questions of electrodynamic withstand of transformer windings to short-circuit currents. There are ocsillogramms of currents and voltage of 250 MVA 220 kV transformer during short-circuit testing. The electrodynamic forces into transformer windings during short-circuit testing were described in this paper. The important conclusions for reinforcement of winding design of250 MVA 220 kV were made.

Литературы

1. Хренников А.Ю. Основные причины повреждения обмоток силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в процессе эксплуатации // Промышленная энергетика. - 2006. - № 12. -С.12-14.

2. Хренников А.Ю., Шлегель О.А., Шифрин Л.Н. Электродинамические испытания трансформатора типа ТЦ-666000/500 на МИС, г. Тольятти // Известия вузов. “Электромеханика”. - 2006. - № 6.

3. Хренников А.Ю., Киков О.М. Диагностика силовых трансформаторов в Самараэнерго методом низковольтных импульсов // Электрические станции. -№11. - 2003.

4. О надежности силовых трансформаторов и автотрансформаторов электрических сетей / М. Ю. Львов, Ю. Н. Львов, Ю. А. Дементьев и др. // Электрические станции - 2005. - № 11.

5. Короленко В.В., Конов Ю.С., Федорова В.П. Обнаружение повреждений трансформаторов при коротких замыканиях // Электрические станции. - 1980.- № 7.

6. Результаты испытаний трансформатора ТДТН-25000/110 на стойкость при КЗ / А.И. Лурье, Л.И. Мильман, О.А. Шлегель, В.А. Червяков // Электротехника. - 1987. - № 4.

7. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. - Л.: “Энергия”, 1970. - 432 с.

8. ГОСТ 20243-88. Трансформаторы силовые. Методы испытаний на стойкость при коротком замыкании. Госстандарт.

9. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов.

- М.:“Энергия”, 1981. - 392 с.

10. Хренников А.Ю., Таджибаев А.И. Методы оценки состояния силовых маслонаполненных трансформаторов на основе контроля геометрии обмоток: Монография. - С.-Петербург.: ПЭИПК 2005. - 50 с.

11. Александров Г.Н. Особенности магнитного поля трансформатора под нагрузкой // Электричество. - 2003. - № 5.

Поступила 25.06.2007