Срок службы трансформаторов — Оценка фактического ресурса изоляции трансформатора
Нормирование ресурса по условию снижения степени полимеризации (СП)
Степень деструкции изоляции обычно характеризуется числом разрывов молекулы целлюлозы или фактором старения л, который может быть представлен через начальное и текущее (конечное) значения степени полимеризации. При этом изоляция считается полностью изношенной, если число разрывов достигло 5.
При измерении средней вискозиметрической степени полимеризации по МЭК 60450 с использованием медно-этилендиаминового растворного комплекса начальное значение СП новой кабельной бумаги равно примерно 1200 и, соответственно, 5 разрывов молекулы целлюлозы соответствует СП = 200.
В таком состоянии остаточная прочность бумаги на разрыв составляет примерно 20% от исходной. Лабораторные исследования показывают, что изоляция, имеющая СП = 200, становится очень хрупкой, так что продолжение эксплуатации связано с риском повреждения. Проект МЭК 60076-7 от 1.7.01 определяет окончание срока службы изоляции при снижении степени полимеризации в наиболее нагретой зоне до 200 единиц.
Уменьшение прочности бумаги на разрыв вдвое против исходного ее состояния считают симптомом дефектного состояния изоляции. При этом степень полимеризации (СП) снижается до 400-450К
Оценка ресурса изоляции по изменению СП
Ресурс изоляции по условию снижения СП до некоторого критического значения.
Основным фактором старения изоляции является температура. Увеличение температуры примерно на 7°С при прочих одинаковых условиях снижает ресурс в два раза (действующий МЭК предполагает 6-градусное правило). Соответственно для оценки СП участков изоляции, имеющих отличие температуры на 7°С.
Значения СП, определяемые по ГОСТ 25438—82 в растворе кадоксена, отличаются существенно большими (в 2 раза) абсолютными значениями СП по сравнению с измерениями по МЭК 60450. Для новой кабельной бумаги исходные значения составляют примерно 2000 ед. Условие 5 разрывов молекулы соответствует критическому значению СП примерно 330 ед., а указанное в Нормах РАО ЕЭС России предельное значение СП = 250 при условии испытания по ГОСТ 25438—82 формально соответствует значению -125, измеренному по методике МЭК. Здесь и далее все значения СП даны по методике МЭК.
Таблица 1. Значения показателя скорости старения А, рассчитанные по данным опытов
Показатель скорости старения А
По данным Emsley
По данным Lundgaard (СИГРЭ)
Повышенное содержание кислорода
Однако установлено, что влага и продукты старения масла, особенно активные кислоты, могут ускорить процесс декомпозиции изоляции в два и более раза. Во многих случаях внутренние слои изоляции, прилегающей к проводнику, оказываются менее состаренными, чем внешние слои изоляции, обращенные к маслу.
Показатель скорости старения А (характеризующий увеличение скорости старения благодаря влиянию влаги, кислорода и кислот) варьируется в довольно широких пределах, однако имеющиеся данные (табл. 1) позволяют оценить раздельное влияние основных факторов старения.
Например, измеренное значение СП изоляции составило 600. Согласно табл. 2 коэффициент старения изоляции, содержащей продукты окисления при условии дальнейшей работы при температуре 90 °С равен к — 2,6- 10-8.
Старение целлюлозной изоляции имеет необратимый характер, однако процесс старения может быть существенно замедлен как технологическими мерами (удаление продуктов старения, кислорода, растворенных металлов и пр.) так и конструктивными (улучшение охлаждения и снижение температуры, улучшение защиты от проникновения воздуха и воды, применение материалов повышенной стабильности против окисления и пр.).
Таблица 2. Коэффициент старения Крафт-бумаги
Состояние изоляции и масла в начале старения
Сухая; не окисленное масло А = 1,5- 108
Сухая; окисленное масло А = 2,4- 108
Сухая; высокая концентрация кислорода А = 5,5 • 108
Содержание влаги 1-1,5% А = 6,5- 108
70 (343 К) 80 (363 К) 90 (363 К) 100 (373 К) 110 (383 К)
0,2- 10"8 0,56- 10-8 1,6- 10-8 4,3- 10
0,7- 10-8 2,1 • 10-8 5,9- 10
8 18,6- 10-8
47- 10
Измерение степени полимеризации
Практически СП измеряют на образцах изоляции, отобранных из доступных мест, где надежность не может быть существенно нарушена. Обычно это образцы электрокартона или бумаги из перегородок, угловых шайб, отводов. Важным условием является определение температуры в зоне отбора пробы. Желательно, чтобы место отбора было расположено вблизи выхода нагретого масла из обмотки. Для ориентировочной оценки могут быть использованы также образцы целлюлозной изоляции (обычно картон различной толщины), которые, как правило, закладываются при изготовлении больших трансформаторов. Образцы крепятся к активной части и доступны для изъятия с целью определения их влагосодержания или СП.
Рис. 6. Вид новой (СП = 1100) и состаренной (СП < 200) целлюлозы.
Полученное значение должно быть скорректировано на значение разницы температуры наиболее нагретой зоны и температуры в месте отбора пробы.
Температура наиболее нагретой зоны определяется расчетом на основании анализа конструкции и условий эксплуатации. Для оценки влияния на степень старения продуктов старения масла и влаги может быть измерена раздельно средняя СП образцов и поверхностных слоев изоляции.
Рис. 7. Степень полимеризации витковой изоляции блочного трансформатора 730 МВ-А, 420 кВ.
Учет температурного профиля обмоток
Температура различных зон изоляции существенно отличается, что соответственно обуславливает неравномерный износ изоляции.
Температурный профиль разных обмоток также отличается друг от друга. Часто температура внутренних обмоток выше, чем температура внешних обмоток такой же мощности. Соответственно СП изоляции внешних обмоток может не отражать наибольший износ изоляции в наиболее нагретой зоне.
На рис. 7 показан профиль износа витковой изоляции блочного трансформатора, у которого температура верхних катушек обмоток НН почти на 20°С превышает температуру верхних катушек ВН.
Для достоверной оценки степени старения изоляции необходимо знание температурного профиля обмоток трансформатора с учетом фактического нагрузочного и теплового режима трансформатора. Обычно из результатов испытаний на заводе известно среднее превышение температуры обмоток над маслом при номинальной нагрузке. Температура наиболее нагретых катушек обмотки превышает ее среднюю температуру, как правило, не более чем на 13 °С.
При возможности следует определить реальную степень деструкции и профиль износа изоляции хотя бы одного из однотипных трансформаторов для выбора зон последующего отбора проб для определения СП и коррекции полученных результатов на возможную степень износа изоляции в наиболее нагретой зоне.
Физико-химические методы оценки состояния силовых трансформаторов в условиях эксплуатации. Показатели оценки состояния бумажной изоляции.
В процессе эксплуатации силового трансформатора целлюлозная изоляция обмоток претерпевает деградацию, обусловленную развитием процессов деструкции и дегидратации, сопровождающихся ухудшением ее физико-химических свойств. Это проявляется в снижении механической прочности, окислении и образовании пор, хемосорбции кислых продуктов, образующихся в процессе старения трансформаторного масла, а также соединений металлов переменной валентности.
Из-за сложного взаимодействия параллельных и последовательных химических процессов, приводящих к деградации, и большого количества влияющих факторов, не представляется возможным прогнозировать степень износа изоляции обмоток путем анализа воздействий эксплуатационных факторов. Следует так же отметить, что электрическая прочность пропитанной маслом бумаги в результате ее старения существенно не изменяется, так как разрушенные участки целлюлозной изоляции немедленно заполняются маслом и электрические показатели (сопротивление и тангенс угла диэлектрических потерь изоляции) существенно не изменяются и не могут служить индикаторами старения.
Оценка износа изоляции обмоток для каждого конкретного трансформатора должна включать непосредственный анализ физико-химического состояния целлюлозной изоляции и сопутствующих показателей, свидетельствующих о степени развития ее деградации. При этом необходимо иметь набор диагностических признаков, позволяющих объективно оценивать степень износа изоляции и принимать решение о возможности и целесообразности дальнейшей эксплуатации трансформатора.
Формирование набора диагностических признаков должно основываться на анализе физико-химических процессов, происходящих в целлюлозной изоляции под воздействием эксплуатационных факторов. Среди этих факторов можно выделить наиболее значимые в плане влияния их на скорость развития деградации: электрическое поле, температура, наличие воздуха (кислорода), наличие химически активных примесей (продуктов старения), наличие влаги.
К настоящему времени накоплен достаточно обширный фактический материал по влиянию на целлюлозу различных факторов. Это позволяет выделить основные физико-химические процессы, приводящие к деградации изоляции обмоток в процессе эксплуатации силовых трансформаторов:
- каталитический кислотный алкоголиз;
- термическая деструкция и дегидратация;
- гидролиз целлюлозной изоляции;
- окислительная деструкция при воздействии кислых продуктов старения масла и содержащихся в нем окислителей.
Существенное влияние на ускорение старения целлюлозной изоляции в среде жидкого диэлектрика оказывает электрическое поле. Оно усиливает воздействие практически всех физико-химических факторов, а также способствует адсорбции на поверхности целлюлозной изоляции продуктов старения трансформаторного масла и конструкционных материалов.
Воздействие электрического поля ускоряет и другой важный процесс деградации целлюлозы — каталитический кислотный алкоголиз при действии гидроксилсодержащих углеводородов (спиртов) в присутствии низкомолекулярных органических кислот и других продуктов, образующихся в масле в процессе старения. Высокая степень влияния этого процесса на деградацию изоляции обмоток обусловлена тем, что трансформаторное масло по своим физико-химическим характеристикам является лучшим пластификатором для целлюлозной изоляции, чем вода. Наличие в целлюлозной изоляции участков с сильным межмолекулярным взаимодействием, т.е. полностью «кристаллических», недоступных для масла областей, в общем случае составляет не более 20%, и с увеличением времени эксплуатации будет уменьшаться под действием электрического поля и других эксплуатационных факторов (температуры, наличия химически активных примесей и др).
Гидролиз целлюлозной изоляции, протекающий параллельно с процессом кислотного алкоголиза, по сравнению с ним вносит существенно меньший вклад в общий процесс деградации. Это обусловлено достаточно низким содержанием влаги в изоляции трансформатора при нормальной его эксплуатации.
Важным фактором старения целлюлозной изоляции является ее термолиз, вызванный повышенной температурой. Под воздействием высокой температуры (более +90°С) в целлюлозной изоляции, помимо ускорения перечисленных выше процессов, активизируются также процессы термической деградации — деструкция и дегидратация в аморфных и мезоморфных областях с образованием фурфурола и фурановых соединений.
Наряду с указанными процессами деградации, в процессе эксплуатации происходит окислительная деструкция целлюлозной изоляции при воздействии кислых продуктов старения масла и содержащихся в них окислителей. Этот процесс приводит к образованию в макромолекулах полимера окисленных (главным образом карбоксильных) групп и нарушениям в ее структуре. Разрушение структуры целлюлозной изоляции и образование окисленных групп приводит к хемосорбции низкомолекулярных продуктов деструкции, а также кислых продуктов старения масла, ионов меди и железа, образующихся при коррозии металлических компонентов трансформатора в процессе его эксплуатации. Данный процесс сопровождается выделением в масло оксида и диоксида углерода, а визуальным признаком каталитической термоокислительной деструкции целлюлозной изоляции обмоток является ее темно-коричневый цвет.
Рассмотренные процессы деградации целлюлозной изоляции обмоток (каталитический кислотный алкоголиз, термическая деструкция и дегидратация, гидролиз и окислительная деструкция) являются наиболее значимыми и приводят к снижению механической прочности бумаги и образованию воды.
Для оценки состояния бумажной изоляции обмоток предусмотрено два метода:
- по наличию фурановых соединений в масле;
- по степени полимеризации образцов изоляции.
Следует отметить, что деструкция целлюлозной изоляции в процессе эксплуатации трансформатора может сопровождаться выделением в трансформаторное масло фурановых соединений: фурфурол (2-фурфурол), 5-гидроксиметилфурфурол, фурфуриловый спирт, 2-ацетилфуран, метилфурфурол (2 -метил-2 -фурфурол) и ряда других, основными из которых следует считать фурфурол и гидроксиметилфурфурол. При этом, согласно полярности, 80% фурфурола растворяется в изоляционном масле, а гидроксиметилфурфурол в большей степени адсорбируется на бумажной изоляции, чем переходит в трансформаторное масло.
Допустимое значение содержания фурановых соединений (ограничивающего область нормального состояния) установлено не более 0,0015% массы (в том числе фурфурола — 0,001% массы). Однако выход этих соединений в процессе деградации изоляции не является стехиометрическим в отношении числа разрывов в средней по массе макромолекуле целлюлозы. Поэтому данный показатель не отражает реально степень деструкции целлюлозы. Наличие в масле фурановых соединений может свидетельствовать лишь о локально протекающем процессе деструкции и не отражает динамику деградации целлюлозной изоляции. К тому же фурановые соединения разлагаются в кислой среде с образованием продуктов нефуранового типа. Кроме того, при наличии в трансформаторе термосифонного фильтра образующиеся фурановые соединения адсорбируются на силикагеле и распадаются в кислой среде.
Объективным показателем, позволяющим оценивать степень износа изоляции обмоток, является степень полимеризации, прямо характеризующая глубину ее физико-химического разрушения в процессе эксплуатации. При этом снижение степени полимеризации имеет монотонную зависимость и отражает монотонное уменьшение механической прочности изоляции, что определяет детерминированную диагностическую ценность использования данного показателя.
Как указывалось выше, для оценки состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов предусмотрено измерение степени полимеризации образцов этой изоляции. При этом ресурс бумажной изоляции обмоток считается исчерпанным при снижении значения степени полимеризации до 250 единиц.
Для объективной оценки износа изоляции обмоток трансформатора необходимо проводить измерение степени полимеризации образца витковой изоляции, отобранной в одной из верхних катушек. Отбор образца витковой изоляции может быть выполнен на отключенном трансформаторе, как при капитальном ремонте, так и при осуществлении частичного слива масла. Представительность заложенного в трансформатор образца целлюлозной изоляции, а также образцов барьерной изоляции, в отношении достигнутого уровня деструкции изоляции обмоток не обеспечивается в полной мере, поскольку такие образцы расположены в баке трансформатора в условиях, не отвечающих наиболее нагретой зоне.
В отношении деструкции витковой изоляции обмоток необходимо отметить, что достижение значения 250 ед. может оцениваться, как не менее чем четырехкратное снижение механической прочности изоляции по отношению к исходной. Это резко повышает риск возникновения витковых замыканий и повреждения трансформатора при возникновении механических усилий, в первую очередь при протекании сквозных токов коротких замыканий.
Значимость процесса дегидратации напрямую связана со степенью износа бумажной изоляции обмоток. Если выход воды из бумаги, имеющей степень полимеризации более 300 ед., составляет порядка 10 -3 . 10 -2 % массы и не оказывает существенного влияния на работоспособность изоляции, то при достижении значений степени полимеризации ниже 250 ед. выход воды из-за дегидратации может составлять более 6% массы, а это приводит к снижению электрической прочности изоляции.
Измерения степени полимеризации для получения объективной оценки износа изоляции необходимо проводить посредством определения вязкостных характеристик растворов целлюлозной изоляции в кадмийэтилендиаминовом комплексе. Это позволяет обеспечить отсутствие значимых деструктивных изменений в испытуемых образцах целлюлозы, в том числе и окисленных. Применение других растворителей, как правило, вызывает химическую деструкцию целлюлозы. Проведение анализа степени полимеризации изоляции путем перевода ее в эфиры может привести к завышенным значениям показателя вследствие растворения низкомолекулярной фракции и, как следствие, к ошибочным выводам.
Источник: © Львов М.Ю., Кутлер П.П. Физико-химические методы в практике оценки состояния силовых трансформаторов в условиях эксплуатации: Учебно-методическое пособие. — М.: ИУЭ ГУУ, ВИПК-энерго, ИПК госслужбы, 2003. — 20 с
Как определить степень износа изоляции трансформатора
При постоянной температуре с течением времени механическая прочность изоляции снижается. Измеряется она числом перегибов, выдерживаемых изоляцией при испытании. При неизменной температуре трансформатора прочность изоляции уменьшается равномерно, затем, достигнув значения, равного примерно 20% начального, она снижается очень медленно (рис. 8.5). Однако к этому времени практически изоляция не пригодна для дальнейшей эксплуатации.
Срок полного равномерного износа изоляции Т (до момента, при котором прочность ее составляет около 20% начальной) согласно опытным данным
, (8.7)
где А — постоянный коэффициент, определяемый классом изоляция;
— температура обмоток, °С;
— постоянный коэффициент, определяющий скорость старения изоляции.
Согласно стандарту увеличение нагрузки на 6 °С (так называемое 6°-ное правило) ведет к уменьшению срока службы изоляции вдвое, что соответствует значению 
. Действительно это видно из отношения
.
Исходя из выражения (8.7) и считая процесс старения изоляции равномерным, можно ее износ за время 
оценить в долях единицы следующим образом:
. (8.8)
Согласно стандарту нормальный срок службы трансформатора 25 лет достигается при постоянной температуре обмотки 
, т.е.
. (8.9)
. (8.10)
Отношение 
называют относительным износом 
; при температуре 
. (8.11)
При 
имеем 
, т.е. 
; при 
или 
относительный износ будет соответственно равен 2 или 0,5.
Так как 
не зависит от времени, то эту величину можно рассматривать и как относительный износ в единицу времени, т. е. как относительную скорость износа.
Если температура обмотки изменяется во времени, например, так, как это показано на рис. 8.6, то, разбив каждый участок кривой на более мелкие части, соответствующие небольшим приращениям времени 
можно каждую кривую заменить ступенчатым графиком с постоянным значением 
на каждой ступени и для
Рис. 8.5. Кривые износа изоляции
Рис. 8.6. График изменения температуры
каждого значения по формуле (8.11) найти соответствующее значение 
. Умножим время на значение 
и, просуммировав эти произведения за сутки ( 
элементов), найдем износ изоляции. Отнеся его к 24 часам, получим относительную среднюю скорость износа за сутки:
. (8.12)
Рис. 8.7. Зависимость относительного износа и срока службы изоляции от превышения температуры
Рис. 8.8. Зависимость износа и срока службы изоляции от номинальной мощности трансформатора
Значение 
покажет, во сколько раз уменьшится срок службы трансформатора, если в течение всего времени будет сохранен этот режим его работы.
Полезно отметить, что так называемое 6°-ное правило характеризует очень быстрое уменьшение срока службы или увеличение относительного износа при повышении температуры (рис. 8.7). Вместе с тем надо отметить, что незначительное увеличение мощности трансформатора, вызывающее уменьшение сопротивления его обмоток, а следовательно, и температуры, ведет к значительному увеличению срока службы или уменьшению износа (рис. 8.8), и наоборот, незначительное уменьшение его мощности ведет к быстрому увеличению износа и уменьшению срока службы.
Можно считать, что мощность трансформатора выбрана правильно, если срок службы будет не менее нормативного и по возможности наиболее близким к нему. Но рассчитать срок службы трансформатора или износ при заданной нагрузке можно, только зная его номинальную мощность: Каким же значением номинальной мощности задаться?
Температура обмотки трансформатора зависит от значения потерь энергии в ней, обращающихся в тепло. Но потери мощности во времени претерпевают большие изменения вследствие колебания нагрузки в подстанционной зоне. Поэтому при одних и тех же потерях энергии температура может изменяться в широких пределах. А так как повышение ее ведет к резкому непропорциональному ускорению старения изоляции, то наименьшее старение, а следовательно, наименьшая мощность трансформаторов понадобились бы в условиях, когда фактически выделяемое тепло в обмотках трансформатора распределялось бы равномерно в течение всего периода его работы. Поскольку выделяемое количество тепла пропорционально квадрату тока, то оно, а следовательно, и мощность трансформатора соответствовали бы среднему квадратичному току нагрузки подстанции 
. Следовательно, минимальная мощность, выше которой должна быть, требуемая мощность трансформатора, может быть определена по формуле
. (8.13)
В условиях, когда задан определенный график движения и определенные поезда в нем, оказывается возможным построить график нагрузки подстанции а затем и отдельных трансформаторов. Пользуясь графиком нагрузки, можно найти трансформатора, выбрать 
, построить с помощью приведенных выше выражений и намеченной мощности трансформатора график изменения температуры обмотки, а затем рассчитать старение изоляции и срок службы трансформатора для намеченной, номинальной мощности. Если срок службы получен недостаточным, надо взять следующие значения номинальной мощности трансформатора и повторить расчет.
Для магистральных железных дорог, где в результате оперативного планирования график движения и вслед за ними нагрузки подстанции и трансформаторов претерпевают непрерывные случайные изменения, описанный метод использовать невозможно. В этом случае также вначале можно определить эффективное значение тока 
трансформатора и найти 
. Без больших трудностей можно найти и верхний предел необходимой мощности трансформатора 
(см. § 8.11).
Контрольные вопросы
1. Что такое износ изоляции?
2. Приведите несколько случаев включения трансформатора на нагрузку.
3. От чего зависит температура обмотки трансформатора?
4. Приведите зависимость износа и срока службы изоляции от номинальной мощности трансформатора.
5. На сколько лет согласно стандарту нормальный срок службы трансформатора?
1. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Марквард К.Г. М.Транспорт.1986 г.
2. Электроснабжение электрифицированных дорог. Мамошин Р.Р., Зимакова А.Н. М.Транспорт.1989 г.
3. Автоматизированные системы управления устройствами электроснабжения железных дорог. Почаевец В.С. М.Маршрут, 2006 г.
4. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электроснабжение электрифицированных дорог». Жармагамбетова М.С. Алматы, 2012.
Разрушение изоляции трансформаторов
Силовые трансформаторы – самые дорогие и ответственные элементы электрооборудования в устройстве распределения питания. Обеспечение они несут нагрузку к оптимальному уровню производства и в хорошем состоянии таким образом крайне важны. Методы обнаружения повреждения служат предупреждением развивающимся отклонениям в трансформаторе; и у этих методов есть много параметров измерения и визуального контроля.
Современные трансформаторы работают при номинальных нагрузках и, благодаря постоянно увеличивающемуся электропотреблению на мощность, много раз на перегрузке. Поэтому становится необходимо, что трансформаторы проверены регулярно, чтобы оценить короткие замыкания и гарантировать, что профилактический или корректирующие действия быстро взяты. Контрольная проверка условия также помогает в оценке остающейся жизни трансформатора, гарантируя, что коммунальные сооружения не пойманы неожиданно внезапными пробоями трансформатора, которые почти всегда приводят к серьезным потерям.
Факторы, способствующие износу трансформатора
Существует множество факторов, ответственных за износ силового трансформатора. Контролируя следующие переменные, можно действительно продлить срок эксплуатации трансформатора:
Качество масла
Рабочая температура
Процентное содержание кислорода
Загрязнение
Наличие воды в изоляции, которое может спровоцировать разрушение молекулярных цепей, способствовать старению целлюлозы и негативно сказаться на растяжении и диэлектрических свойствах изоляции.
Как разрушается изоляция трансформатора
Углерод, минеральные и силиконовые масла используются в качестве изоляционных жидкостей из-за их высокой диэлектрической прочности, теплопроводности и химической стабильности.
При нормальных условиях эксплуатации происходит лишь незначительное разложение диэлектрической жидкости. Тем не менее, в случае возникновения электрических или температурных нарушений, изоляционная жидкость и твердая изоляция частично разрушаются. Вследствие разложения происходит образование газов с низкой молекулярной массой, как водород, метан, этан, ацетилен, окись углерода и двуокись углерода. Эти газы растворяются в диэлектрической жидкости. Проанализировав количество каждого из содержащихся в жидкости газов, можно установить наличие таких неисправностей, как коронарные и дуговые разряды, искрение, перегрев.
Тестирование степени износа трансформатора
Визуальный осмотр
Инфракрасная термография
Анализ растворенных в масле газов
Анализ характеристик масла
Контроль влагосодержания бумаги
Контроль над содержанием антиокислителей
Анализ фурана
Мощность обмотки и втулки
Измерение сопротивления винтовых выводов и изоляции сердечника
Измерение сопротивления обмотки
Существуют устройства непрерывного контроля над температурой, содержанием газов в масле и уровнем вибрации РПН. Частота проведения проверок зависит от вида тестирования, важности оборудования, а также от того, известно ли о существовании какой-либо проблемы, неисправности или о характерных для данной группы трансформаторов поломках.
Срок службы силового трансформатора можно определить по состоянию и степени устаревания изоляции. Трансформаторное масло и крафт-бумага являются основными изоляционными материалами трансформатора. Из-за тепловых и электрических нагрузок оба материала разрушаются, образовывая продукты реакции, которые можно использовать для контроля за степенью повреждения и незначительными неполадками. Дальнейшие темпы износа будут зависеть от условий эксплуатации.
Диагностическое тестирование, применяемое для определения степени износа трансформатора
Ниже представлены типичные диагностические исследования, которые используются для определения степени износа трансформатора:
Оценка состояния масла
Оценка состояния как нового, так и старого масла, имеет свою целесообразность. Тестирование нового масла проводится с целью проверки того, насколько оно подходит для конкретного трансформатора. Тестирование использованного масла предусмотрено для контроля за состоянием трансформатора и определения его срока службы. Оценка состояния масла при помощи анализа фурановых соединений является надежным индикатором комплексного и кумулятивного старения целлюлозного материала, присутствующего в трансформаторе. Данные о фуране в трансформаторной жидкости позволяют измерить средний показатель разрушения всего объема изоляции.
Анализ растворенных в масле газов
Анализ растворенных в масле газов производится в соответствии с ASTM D3612 или IEC 60567. К этому диагностическому исследованию обращаются намного чаще других и оно является самым важным, из тех, что проводятся на трансформаторном масле.
Когда изоляционные материалы силового трансформатора разрушаются от чрезмерной тепловой или электрической нагрузки, формируются газообразные побочные продукты. Эти побочные продукты характеризуют тип неисправности, вовлеченные материалы и серьезность состояния.
Именно способность выявлять такое множество проблем делает анализ растворенных в масле газов мощным инструментом для обнаружения неисправностей и исследования их первопричин после того, как произошел сбой. Растворенные газы можно выявить в малых концентрациях (миллионные доли или уровень мд). Благодаря этому возможно раннее вмешательство до того, как произойдет отказ электрической аппаратуры, а также проведение планового текущего ремонта.
Техника проведения анализа растворенных газов предусматривает извлечение газов из масла и введение их в газовый хроматограф (ГХ). Определение газовых концентраций обычно предполагает использование пламенно-ионизационного детектора (ПИД) и детектора теплопроводности (ДТ). В большинстве систем также применяется метанатор, который преобразует любую окись углерода и двуокись углерода в метан, чтобы их можно было сжечь и выявить с помощью ПИД, который является сенсором с внушительной чувствительностью.
Частота проверок зависит от использования и важности силового трансформатора. Это может быть ежедневный или еженедельный контроль, полугодовой или годовой контроль, трехгодичный или пятилетний контроль.
Ежедневное или еженедельное обследование позволяет выявить любые неполадки в процессе работы, а также повышение температуры масла и проблемы в РПН.
Решение о частоте проведения тестирования следует принимать исходя из ретроспективных данных и важности оборудования. Если же ретроспективных данных нет, оборудование новое или недавно отремонтированное, необходимо сделать плотную выборку – от нескольких недель до нескольких месяцев между каждым сбором данных. Убедившись в целостности устройства, можно снизить частоту проверок.
Выводы
В энергосистеме, которая демонстрирует множество признаков преклонного возраста, инспекции силового трансформатора и мониторинг его состояния являются крайне важным заданием. С приходом Смарт Грид и более новых технологий, многие из существующих систем будут либо вынуждены приспосабливаться, либо сильно устареют. В ближайшие несколько лет коммунальным предприятиям необходимо много планировать и инвестировать для поддержания оптимальных условий эксплуатации оборудования до тех пор, пока большие перемены станут неизбежными.
Износ (старение) изоляции
При постоянной температуре с течением времени механическая прочность изоляции снижается. Измеряется она числом перегибов, выдерживаемых изоляцией при испытании. При неизменной температуре трансформатора прочность изоляции уменьшается равномерно, затем, достигнув значения, равного примерно 20% начального, она снижается очень медленно (рис. 8.5). Однако к этому времени практически изоляция не пригодна для дальнейшей эксплуатации.
Срок полного равномерного износа изоляции Т (до момента, при котором прочность ее составляет около 20% начальной) согласно опытным данным
, (8.7)
где А — постоянный коэффициент, определяемый классом изоляция;
— температура обмоток, °С;
— постоянный коэффициент, определяющий скорость старения изоляции.
Согласно стандарту увеличение нагрузки на 6 °С (так называемое 6°-ное правило) ведет к уменьшению срока службы изоляции вдвое, что соответствует значению . Действительно это видно из отношения
.
Исходя из выражения (8.7) и считая процесс старения изоляции равномерным, можно ее износ за время оценить в долях единицы следующим образом:
. (8.8)
Согласно стандарту нормальный срок службы трансформатора 25 лет достигается при постоянной температуре обмотки , т.е.
. (8.9)
. (8.10)
Отношение называют относительным износом ; при температуре
. (8.11)
При имеем , т.е. ; при или относительный износ будет соответственно равен 2 или 0,5.
Так как не зависит от времени, то эту величину можно рассматривать и как относительный износ в единицу времени, т. е. как относительную скорость износа.
Если температура обмотки изменяется во времени, например, так, как это показано на рис. 8.6, то, разбив каждый участок кривой на более мелкие части, соответствующие небольшим приращениям времени можно каждую кривую заменить ступенчатым графиком с постоянным значением на каждой ступени и для
Рис. 8.5. Кривые износа изоляции
Рис. 8.6. График изменения температуры
каждого значения по формуле (8.11) найти соответствующее значение . Умножим время на значение и, просуммировав эти произведения за сутки ( элементов), найдем износ изоляции. Отнеся его к 24 часам, получим относительную среднюю скорость износа за сутки:
. (8.12)
Рис. 8.7. Зависимость относительного износа и срока службы изоляции от превышения температуры
Рис. 8.8. Зависимость износа и срока службы изоляции от номинальной мощности трансформатора
Значение покажет, во сколько раз уменьшится срок службы трансформатора, если в течение всего времени будет сохранен этот режим его работы.
Полезно отметить, что так называемое 6°-ное правило характеризует очень быстрое уменьшение срока службы или увеличение относительного износа при повышении температуры (рис. 8.7). Вместе с тем надо отметить, что незначительное увеличение мощности трансформатора, вызывающее уменьшение сопротивления его обмоток, а следовательно, и температуры, ведет к значительному увеличению срока службы или уменьшению износа (рис. 8.8), и наоборот, незначительное уменьшение его мощности ведет к быстрому увеличению износа и уменьшению срока службы.
Можно считать, что мощность трансформатора выбрана правильно, если срок службы будет не менее нормативного и по возможности наиболее близким к нему. Но рассчитать срок службы трансформатора или износ при заданной нагрузке можно, только зная его номинальную мощность: Каким же значением номинальной мощности задаться?
Температура обмотки трансформатора зависит от значения потерь энергии в ней, обращающихся в тепло. Но потери мощности во времени претерпевают большие изменения вследствие колебания нагрузки в подстанционной зоне. Поэтому при одних и тех же потерях энергии температура может изменяться в широких пределах. А так как повышение ее ведет к резкому непропорциональному ускорению старения изоляции, то наименьшее старение, а следовательно, наименьшая мощность трансформаторов понадобились бы в условиях, когда фактически выделяемое тепло в обмотках трансформатора распределялось бы равномерно в течение всего периода его работы. Поскольку выделяемое количество тепла пропорционально квадрату тока, то оно, а следовательно, и мощность трансформатора соответствовали бы среднему квадратичному току нагрузки подстанции . Следовательно, минимальная мощность, выше которой должна быть, требуемая мощность трансформатора, может быть определена по формуле
. (8.13)
В условиях, когда задан определенный график движения и определенные поезда в нем, оказывается возможным построить график нагрузки подстанции а затем и отдельных трансформаторов. Пользуясь графиком нагрузки, можно найти трансформатора, выбрать , построить с помощью приведенных выше выражений и намеченной мощности трансформатора график изменения температуры обмотки, а затем рассчитать старение изоляции и срок службы трансформатора для намеченной, номинальной мощности. Если срок службы получен недостаточным, надо взять следующие значения номинальной мощности трансформатора и повторить расчет.
Для магистральных железных дорог, где в результате оперативного планирования график движения и вслед за ними нагрузки подстанции и трансформаторов претерпевают непрерывные случайные изменения, описанный метод использовать невозможно. В этом случае также вначале можно определить эффективное значение тока трансформатора и найти . Без больших трудностей можно найти и верхний предел необходимой мощности трансформатора (см. § 8.11).
Контрольные вопросы
1. Что такое износ изоляции?
2. Приведите несколько случаев включения трансформатора на нагрузку.
3. От чего зависит температура обмотки трансформатора?
4. Приведите зависимость износа и срока службы изоляции от номинальной мощности трансформатора.
5. На сколько лет согласно стандарту нормальный срок службы трансформатора?
Литература
1. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Марквард К.Г. М.Транспорт.1986 г.
2. Электроснабжение электрифицированных дорог. Мамошин Р.Р., Зимакова А.Н. М.Транспорт.1989 г.
3. Автоматизированные системы управления устройствами электроснабжения железных дорог. Почаевец В.С. М.Маршрут, 2006 г.
4. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электроснабжение электрифицированных дорог». Жармагамбетова М.С. Алматы, 2012.