Диагностика мощных трансформаторов. Виды дефектов и современные методы их определения

В настоящей статье дается краткий обзор двух новых методов диагностики и их применение для оценки состояния трансформаторов.

3.1 Определение влаги в изоляции путем измерения частотной зависимости tg дельта

Один из решающих факторов ухудшения изоляции в эксплуатации - увлажнение. Главным источником увлажнения является атмосферная влага, проникающая под действием градиента давления, особенно через ослабленные уплотнения. Старение целлюлозной изоляции также может образовать значительное количество влаги, особенно если изоляция работает при повышенной температуре и значительно изношена.

Вследствие медленности процесса диффузии влаги в изоляции трансформатора основная масса влаги по мере проникновения из окружающего воздуха сосредоточивается в основном в тонкой изоляционной структуре, преимущественно барьерной изоляции. Распределение влаги в изоляционной структуре неравномерно. Так, содержание влаги в витковой изоляции существенно ниже, чем в электрокартонных барьерах. Неравномерное распределение влаги в изоляционных деталях сохраняется в течение всего периода эксплуатации трансформатора. Выделяющаяся при старении влага также распределяется неравномерно. При этом происходит ее миграция из участков с наибольшим износом в зоны с низшими значениями температуры.

Описанные выше причины обусловливают сложность диагностики степени увлажнения и, таким образом, необходимость применения методов, позволяющих проводить надежную оценку увлажнения изоляции.

Разработанный фирмой АББ новый метод представляет собой дальнейшее развитие абсорбционных методов с использованием измерения тангенса угла диэлектрических потерь в широком частотном диапазоне (рис. 3) . Новый метод нашел обширное применение во многих странах мира и используется в качестве одного из основных при оценке состояния бумажно-масляной изоляции. Основными задачами метода являются измерение влажности целлюлозы и проводимости масла.

Рис. 2. Схема измерения тангенса угла диэлектрических потерь от частоты для трансформатора с двумя обмотками (участок изоляции с емкостью CHL)

С начала применения метода в 90-х гг. и по настоящее время специалистами АББ в различных странах были проведены более тысячи измерений на трансформаторах различного типа. Метод особенно хорошо зарекомендовал себя при определении степени увлажнения в рамках комплексного диагностического обследования (рис. 3, 4).

3.2 Диагностика механического состояния обмоток методом частотного анализа (МЧА)

Согласно выводам рабочей группы СИГРЕ WG А2.26, основанным на обобщении международного опыта, метод частотного анализа (FRA - Frequency Response Analysis) является наиболее чувствительным методом диагностики механического состояния обмоток трансформаторов.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты для трансформатора с содержанием влага в целлюлозной изоляции 1,2 %

Принцип метода частотного анализа заключается в том, что от специального генератора на ввод обмотки (или в нейтраль) подается зондирующий сигнал (импульсный или синусоидальный, а с вводов других обмоток регистрируются отклики - реакции обмоток на воздействие зондирующего сигнала (рис.5).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты для трансформатора с содержанием влага в целлюлозной изоляции 2,9 %

Рис. 5. Принцип измерения характеристик обмоток по методу частотного анализа

Изменения геометрии обмо-ток из-за деформаций, смещения, распрессовки приводят к измен-ению соответствующих емкостей и индуктивностей, а значит к изменению реакции обмоток на воздействие зондирующего сигнала. Характер изменения частотного спектра отклика зависит от величины и характера деформаций. Высокая чувствительность метода объясняется тем, что даже незначительные локальные изменения положения элементов обмотки (витков, катушек, отводов) приводят к изменению соответствующих емкостей и индуктивностей и соответственно к изменению собственных частот колебаний обмотки. Разные виды деформаций приводят к изменениям в разных диапазонах спектра частот.

Отклики обмоток анализируются путем:

1. различия между откликами отдельных фаз трансформатора;

2. различия между откликами трансформаторов аналогичной конструкции;

3. изменения резонансов, полюсов (требуется предыдущее измерение).

При реализации данного метода могут быть использованы два подхода - импульсный и частотный. В частотном методе в качестве источника зондирующих сигналов используется генератор синусоидального напряжения, изменяющий частоту в широком диапазоне - от нескольких герц до нескольких мегагерц.

Двухканальный АЦП записывает по каналу 1 сигнал, подаваемый на ввод обмотки, по каналу 2 - реакцию обмотки на приложенное воздействие. Далее рассчитывается передаточная функция как отношение спектров входного и выходного сигналов. Степень отличия передаточных функций, рассчитанных до и после воздействия на трансформатор электродинамических сил короткого замыкания или других механических воздействий, производится с помощью разных средств анализа.

Выход изменяющегося по частоте синусоидального сигнала и одного входа анализатора соединен через экранированные коаксиальные кабели с одним выводом обмотки. Другой конец обмотки (например, нейтраль) подсоединяется через трансформатор тока ко второму входу анализатора. Частота отклика обмотки определена соотношением измеренных входа и выхода, т. е. частотно-зависимым импедансом или полной проводимостью каждой обмотки и оценивается амплитудой и фазой для различных диапазонов частот. На рис. 6 приведен пример частотного спектра ВН обмоток 25 МВА трансформатора при измерениях до 2 МГц.

Рис. 6. Амплитуда и фаза частотного спектра ВН обмоток 25 МВА трансформатора

Как видно из рисунка, характеристики двух крайних обмоток (фазы А и С) практически совпадают во всем диапазоне. Начиная примерно с частоты 1 кГц наблюдается также совпадение резонансных частот средней обмотки (фаза В). Для оценки указанного спектра находит применение первый метод из описанных выше трех методов оценки откликов обмоток.

На рис. 7, 8 приведены примеры сравнения откликов обмоток по второму методу, при котором сравнивают результаты измерений на однотипных трансформаторах (рис. 6), и по третьему методу, при котором частотные спектры сравнивают с предыдущими измерениями (рис. 7).

Рис. 7. Сравнение амплитуд частотных спектров ВН обмоток фазы С (№3-З0) двух однотипных трехобмоточных трансформаторов мощностью 160 MB А. Фазные обмотки СН закорочены Frequency in kHz

Рис. 8. Сравнение амплитуд частотных спектров ВН обмоток фазы Б (№1-З0) трехобмоточного трансформатора мощностью 160 MB А при измерениях на заводе и на месте установки после транспортировки. Фазные обмотки НН закорочены.

Анализ результатов измерений частотного спектра должен производиться с учетом влияния различных параметров. Кроме известного и часто встречающегося влияния заземления кабелей, которое проявляется особенно при высоких частотах, следует также учитывать влияние наличия масла, так как испытания иногда проводятся и на трансформаторах без масла.

Ниже приведен пример частотного спектра НН обмоток 50 МВА трансформатора при измерениях до 1 МГц при измерениях, произведенных с маслом и без масла в баке трансформатора. Как видно из рис. 8, происходит смещение во всем диапазоне, обусловленное прежде всего изменением соответствующих значений емкостей, что наглядно демонстрирует высокую чувствительность метода.

При диагностике механического состояния обмоток методом частотного анализа (МЧА) следует применять комплексный подход к оценке состояния трансформатора, при котором проводится анализ как сопротивления короткого замыкания (Zk), также позволяющего обнаруживать некоторые виды деформаций, так и анализ результатов стандартных измерений, в частности измерение сопротивлений обмоток.

Рис. 9. Амплитуда частотного спектра НН обмоток 50 МВА трансформатора с маслом и без масла в баке

3.3 TIM-9 - система диагностического мониторинга мощных силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

Система «TIM-9» (Transformer Insulation Monitor) предназначена для контроля состояния силовых трансформаторов и автотрансформаторов с исполнением в одном баке и трехфазной группе. Эти трансформаторы могут иметь в своем составе две или три трехфазных обмотки и до 9 высоковольтных вводов(Рис. 10).

Система мониторинга «TIM-9», по сравнению с системой «TIM-3», обладает расширенным набором диагностических функций и может быть применена для более мощных, дорогих и технологически важных силовых трансформаторов. В системе «TIM-9» использован комплексный подход к диагностике, когда общее техническое состояние трансформатора определяется на основании обобщения результатов нескольких методов диагностики.

В системе мониторинга «TIM-9» реализованы следующие методы диагностики:

· Контроль состояния изоляции вводов трансформатора, как маслонаполненных, так и с твердой изоляцией, определение tgд изоляции и емкости вводов. Данный метод используется для каждой группы из трех вводов фаз одного напряжения, а также для сравнения групп разного напряжения между собой.

· Контроль состояния изоляции вводов и обмоток трансформатора на основании измерения и анализа частичных разрядов. Автоматизированная диагностика места возникновения и определения типа дефекта в изоляции при помощи встроенной в прибор экспертной диагностической системы «PD-Expert».

· Анализ текущих температурных режимов работы трансформатора. Оценка общей эффективности работы системы охлаждения с использованием тепловых моделей трансформатора.

· Диагностика технического состояния маслонасосов системы охлаждения в процессе работы по спектру потребляемого электродвигателем тока.

· Учет технологических режимов работы трансформатора с целью повышения достоверности диагностических заключений отдельных подсистем «TIM-9».

· Контроль текущего положения РПН, сбор статистики работы по положениям. Оценка технического состояния и параметров контактора РПН, контроль дуговых процессов внутри бака при помощи дополнительного модуля «LTC-Monitor», монтируемого в шкафу управления РПН.

Общее техническое состояние контролируемого трансформатора определяется по итогам работы всех методов диагностики системы мониторинга и представляется пользователю в виде диагностического заключения.

При помощи системы «TIM-9» можно дополнительно контролировать техническое состояние двух высоковольтных выключателей, при помощи которых производится подключение обмоток трансформатора.

При наличии на контролируемом трансформаторе прибора контроля растворенных в масле газов производства различных фирм, его выходная информация может быть использована для уточнения общих диагностических заключений системы мониторинга. Для этого в системе «TIM9» предусмотрен дополнительный гальванически изолированный интерфейс «RS-485» для связи с прибором контроля растворенных газов.

В максимальной конфигурации системы «TIM-9» к измерительному прибору подключается до 45 первичных датчиков различного назначения. Реальное количество первичных датчиков в каждом конкретном случае определяется Заказчиком исходя из типа контролируемого трансформатора и целевой функции использования системы мониторинга. Необходимая комплектация системы «TIM-9» первичными датчиками и, соответственно, информативность работы системы мониторинга определяются на этапе заключения договора на основании заполнения Заказчиком опросного листа.

Система мониторинга «TIM-9» монтируется рядом с трансформатором в монтажном шкафу. Без использования системы подогрева непосредственно прибор «TIM-9» может работать при температуре до - 40 градусов. В прибор

встроена система контроля внутренней температуры и включения системы обогрева монтажного шкафа. В такой конфигурации система мониторинга «TIM-9» может работать при температуре до - 55 градусов.

Для передачи информации в систему АСУ-ТП используется оптоволоконная линия связи. Также может быть использована витая пара и интерфейс RS-485.

Технические данные системы мониторинга «TIM-9»

Таблица №1

Заключение

Выполнив данную работу, я глубоко изучил видов дефекты мощных трансформаторов, и определение дефектов, диагностику. В ходе узнал про современные методы определения дефектов на трансформаторы.

Мощный трансформатор является ответственным элементом сети, на работу которого влияют как сильные внешние воздействия, так и анормальные режимы работы энергосистемы.

На силовой трансформатор действуют сильные внешние воздействия и анормальные режимы энергосистемы. За последнее время в российских сетях опасным фактором стали значительные длительные повышения напряжения. Постоянный рост мощности КЗ в системе привел к проблеме динамической нестойкости конструкции обмоток.

В то же время из-за резкого спада промышленного производства снизились нагрузки, и дефекты от тепловых перегрузок стали редкими, соответственно редкими стали и повреждения трансформаторов из-за старения изоляции.

Большое разнообразие возможных дефектов трансформаторов, развивающихся в работе, требует направленности контроля в первую очередь на выявление наиболее частых и опасных дефектов.

Наиболее частыми группами причин, вызывающих отказы в работе отечественных трансформаторов, являются дефекты маслонаполненных вводов, повреждения обмоток из-за динамической нестойкости, увлажнение и газовыделение изоляции, дефекты устройств регулирования напряжения. Следует, однако отметить снижение доли отказов из-за увлажнения изоляции благодаря эффективным мерам защиты, внедренным в последние десятилетия.

Опасным следствием перегревов изоляции считается образование газовых пузырьков, по которым могут быть частичные перекрытия. Исследования этого явления продолжаются. Сравнительно недавно появилась новая версия причин повреждений изоляции типа «ползущего разряда» - статическая электризация масла при большой скорости его движения.

Влияние срока службы на развитие дефектов значительное; работавшие менее 10 лет трансформаторы выходят из строя в 3-4 раза реже, чем можно ожидать по средним цифрам. Удельная повреждаемость трансформаторов зависит от класса напряжения и мощности, она несколько выше для трансформаторов 6-10 кВ (плохое состояние сетей) и 220-750 кВ (меньшие запасы конструкции).

Задачами диагностики трансформаторного оборудования являются: выявление дефектов и повреждений, оценка функциональной исправности оборудования, определение возможности продолжения эксплуатации без ремонта, определение объема ремонта в случае его необходимости, оценка остаточного срока службы и мер по продлению срока службы.

Разработка и внедрение новых методов диагностики с целью выявления дефектов и повреждений, оценка функциональной исправности оборудования, определения возможности продления срока эксплуатации трансформаторов и выполнения других задач диагностики является неотъемлемой частью постоянного совершенствования методик оценки состояния и повышения их эффективности.

Важную роль при внедрении новых методов играет системный подход к оценке состояния силовых трансформаторов, при котором оценка состояния базируется на результатах различных измерений и учете конструктивных особенностей диагностируемых объектов, что позволяет повышать достоверность полученных результатов.

Применение новых методов делает также необходимым адаптацию действующих нормативных документов, а также выработку и совершенствование соответствующих диагностических признаков для оценки результатов проведенных измерений.

Список использованных источников

1. Алексеев Б.А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 216 е.: ил. - (Основное электрооборудование в энергосистемах: обзор отечественного и зарубежного опыта).

2. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле. РД 153-34.0-46.302-00 -М., 2001. 26 с.

3. Львов М. Ю. Анализ повреждаемости силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше ОАО «Холдинг МРСК». Конференция ТРАВЭК. 2009.

4. Технические средства диагностирования: Справочник / В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; Под общ. ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1989.

5. Важов В.Ф. Техника высоких напряжений: учебное пособие / В.Ф. Важов, Ю.И. Кузнецов, А.В Мытников [и др.]. - Томск, Изд-воТПУ, 2009. - 232 с.

6. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Новосибирск: Наука, 2007. 155 с.

7. Дробышевский A.A. Диагностика механического состояния обмоток силовых трансформаторов методом частотного анализа // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Выпуск 16. СПб: ПЭИПК,2001.-С. 176-181.

8. Техника высоких напряжений / под ред. Г.С. Кучинского. -СПб.: Энергоатомиздат, 2003. - 608 с.

9. Русов В.А., СофьинаН.Н. Вибрационное обследование и диагностика состояния силовых трансформаторов // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Выпуск 11. СПб: ПЭИПК, 2000.-С. 38-53.

10. Дробышевский A.A., Левицкая Е.И. Диагностика механических деформаций обмоток трансформаторов в эксплуатации // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Выпуск 11. -- СПб: ПЭИПК,2000.-С. 61-68.

11. Технические средства диагностирования: Справочник / В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; Под общ. ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1989 672 е., ил.

12. Интернет-ресурсы:

http://www.enin.tpu.ru/lib/TVN-LEXII_VL_2008_V3.pdf

http://portal.tpu.ru/SHARED/d/DV_DIMA/Uchebnaya.

Размещено на Allbest.ru