О статье
Рассмотрены методы повышения надежности работы силовых трансформаторов, автотрансформаторов и маневрирующих реакторов с целью снижения риска повреждений, сопровождающих внутренние короткие замыкания и пожары и взрывы оборудования.
Источник: журнал «Электрические станции», No 9, сентябрь 2014, стр. 41 – 48M. М. Львова, С. Ю. Кузьмина Львов, В. Б. Комаров, Е. О. Лютько, В.. Вдовико, В. В. Демченко, С. Г. Беляев, В. А. Савельев, М. Ю. Кузьмин. Львов и Ю. В. Кузьмин. Н. Львов
Знакомство
Внутренние короткие замыкания наносят наиболее серьезные повреждения силовым трансформаторам, автотрансформаторам и маневровым реакторам, работающим при напряжении 110 кВ и выше (далее просто трансформаторы). Анализ показал, что повреждения, сопровождающие внутренние короткие замыкания, составляют 80% от общего количества повреждений обмоток, 89% от общего числа пробоев высоковольтных выводов и 25% от общего количества пробоев регуляторов под нагрузкой. Более чем в 30% таких случаев ущерб наносится взрывами и пожарами.
Целью данной работы является рассмотрение проблемы повышения эксплуатационной надежности трансформаторов за счет снижения риска повреждения, которое сопровождается внутренними короткими замыканиями, взрывами и пожарами в трансформаторах. Основными факторами, которые приводят к увеличению количества поломок трансформаторов, являются:
- Увеличение количества трансформаторов, работающих дольше их минимального срока службы в 25 лет, заложенного стандартом.
- Использование трансформаторов вне пределов их нормальных параметров;
- Отсутствие в нормативных документах ряда критериев, необходимых для получения более полной и достоверной информации, позволяющей оценить работоспособность трансформаторов
В целом имеется достаточное количество действующих документов, позволяющих определить состояние трансформаторов и пригодность их к дальнейшему использованию.
Тем не менее, как показывает опыт, в трансформаторах в локальных участках изоляции могут происходить ионизационные и тепловые процессы, которые приводят к внутренним коротким замыканиям, взрывам и пожарам в оборудовании, за время меньшее, чем периодичность контроля, заложенная в Регламентирующем документе (Стандартах испытаний электрооборудования).
Центральными идеями при диагностике технического состояния системы и оценке риска являются «предельное состояние» и «критерии предельного состояния».
Согласно ГОСТ Р 53480–2009, «предельное состояние – состояние компонента, для которого его дальнейшее использование недопустимо или нежелательно по причинам опасности либо по экономическим или экологическим причинам»; «Критерии предельного состояния – это показатели предельного состояния, по которым должно быть принято решение относительно состояния оборудования». В настоящее время порядок и критерии определения предельного состояния силовых трансформаторов в нормативно-технических документах не приводятся.
Тем не менее, опыт, накопленный за многие годы эксплуатации, обеспечивает научную основу методики оценки предельного состояния силовых трансформаторов, работающих при напряжении 110 кВ и выше. Основными показателями и критериями предельного состояния трансформаторов являются:
- Износ изоляции обмотки.
- Опасная деформация обмоток, из-за высоких токов короткого замыкания.
- Опасное загрязнение обмоток металлосодержащими коллоидными частицами, которые образуются в результате взаимодействия масла с конструкционными материалами.
При снижении степени полимеризации бумажной изоляции обмоток до 250 единиц происходит следующее:
- Отмечается снижение механической прочности изоляции не менее чем в четыре раза по сравнению с исходным значением;
- Потеря воды (обезвоживание) из бумажной изоляции на уровне 6% по массе и более
Возможное повреждение изоляции обмотки при снижении степени полимеризации до 250 единиц:
- Повреждение изоляции обмотки от осевого давления сил при возникновении токов короткого замыкания;
- Снижение электрической прочности между обмотками при повреждении изоляции на проводнике (разрыве или трещине) в 1,5 – 2 раза. Расчетный запас прочности электрической прочности в различных конструкциях обмоток трансформаторов колеблется от 1,1 до 1,7;
- Нагрев части изоляции за счет диэлектрических потерь, что сопровождается выгоранием изоляции рабочим напряжением, из-за локального увеличения концентрации влаги при обезвоживании.
При достижении предельного состояния возрастает риск повреждения трансформатора из-за возникновения замыкания обмоток, при наличии токов короткого замыкания, грозовых и коммутационных перенапряжений, а также под рабочим напряжением. Задача определения ресурсных характеристик бумажной изоляции силовых трансформаторов, эксплуатируемых длительное время, состоит из двух частей: определения вероятности повреждения трансформатора вследствие деградации изоляции и оценки остаточного ресурса.
Здесь нельзя не упомянуть о результатах широкомасштабных исследований 686 давно работающих трансформаторов в Японии. Вероятностные характеристики повреждения трансформаторов вследствие деградации изоляции определяются следующими соотношениями:
где P – «текущее» значение степени полимеризации, а F – вероятность повреждения трансформаторов из-за деградации изоляции.
В работе [8] было выведено следующее уравнение для ресурса бумажной изоляции японских трансформаторов, связанное со степенью ее полимеризации:
где Р0 – начальное значение степени полимеризации бумажной изоляции обмоток трансформатора, а ô – срок службы трансформатора в момент измерения «текущего» значения степени полимеризации, в годах.
Следует, однако, отметить, что это соотношение в основном относится к зарубежным трансформаторам. Российские силовые трансформаторы не оснащены системой фильтров для непрерывной очистки масла (термосифонные или адсорбционные фильтры). Состояние наружных слоев изоляции, покрытых маслом после длительного использования, как правило, хуже, чем состояние внутренних слоев, контактирующих с медными жилами. Последний отвечает за заметное влияние окисленных и кислотных продуктов старения бумажной изоляции и масла при деградации изоляции.
При использовании силовых трансформаторов с регламентированной работой термосифонных и адсорбционных фильтров, в связи с постоянно низкой концентрацией катализаторов снижение риска повреждения силовых трансформаторов 110 кВ и выше, сопровождающих внутренние короткие замыкания 485 образование и деградацию шлама, значение степени полимеризации наружных слоев изоляции обмоток катушек выше, чем для внутренних слоев, в непосредственном контакте с медью.
Для трансформаторов, которые длительное время используются совместно с фильтрами непосредственной очистки трансформаторного масла, можно предположить, что метод оценки остаточного ресурса изоляции, основанный на фактическом кинетическом поведении изменения степени полимеризации для разных групп силовых трансформаторов при примерно одинаковой нагрузке, полностью оправдано.
В этом случае из результатов исследований зависимость между обратной степенью полимеризации и жизнью принимает вид семейства полулогарифмических анаморфизмов:
где Keff – эффективная константа скорости разрушения изоляции в процессе эксплуатации, год–1.
Из уравнения для P0, равного «текущему» значению показателя полимеризации, и P равного 250, соответствующего полному исчерпанию ресурса изоляции, можно определить остаточный ресурс изоляции трансформаторов ôr.
где Keff – эффективная константа скорости разрушения изоляции в процессе эксплуатации, год–1. Из уравнения (5) для P0, равного «текущему» значению показателя полимеризации, и P равного 250, соответствующего полному исчерпанию ресурса изоляции, можно определить остаточный ресурс изоляции трансформаторов.
В настоящее время на основе проведенных нами исследований накоплена достаточно большая база данных для составления практических кинетических оценок определения остаточного ресурса изоляции силовых трансформаторов, которые используются длительное время исходя из степени полимеризации.
Максимальные значения эффективной «годовой» константы скорости деградации бумажной изоляции обмоток Keff для групп силовых трансформаторов с различной нагрузкой приведены ниже.
Эти кинетические особенности позволяют сформулировать следующие выводы:
- Срок службы бумажной изоляции обмоток, различных групп силового трансформаторного оборудования, применяемых в России, определяется годовой константой скорости деградации изоляции, которая, в целом, является функцией нагрузки конкретной группы трансформаторов, и степенью полимеризации исходной намотанной бумаги, используемой для изоляции обмотки при ее изготовлении;
- Константа скорости деградации бумажной изоляции обмоток сетевых трансформаторов 220 – 500 кВ примерно вдвое меньше, чем для блочно-модульных трансформаторов 110 – 500 кВ тепловых электростанций.
При наличии опасных деформаций или смещения обмоток трансформатор может быть поврежден из-за нарушения изоляции и зазоров изоляции. При использовании такого трансформатора возможны частичные разряды, в которых образуется в основном водород.
Следует отметить, что в публикациях СИГРЭ за 2008 г. приводятся примеры повреждения 16 шунтирующих реакторов из-за развития замыканий обмоток в результате загрязнения изоляции обмоток металлосодержащими коллоидными частицами сульфида меди CuS2 (5 – 7% по массе) при использовании масел, содержащих серу, а именно, Nitro 10 GBA и Nitro 10 GBN.
Методы, используемые в настоящее время для оценки загрязнения изоляции обмоток, основанные на измерении тангенса угла потерь диэлектрической изоляции обмоток, позволяют определить загрязнение изоляции обмоток только по отношению к заземлению и между обмотками.
Изоляция обмоток этим методом не контролируется. Замыкания обмоток относительно долго остаются низкочувствительными для устройств защиты трансформаторов (дифференциальных и газообразных) до тех пор, пока повреждение локализовано, как правило, до возникновения внутреннего короткого замыкания.
Фильтры для непрерывной очистки масла (термосифонные или адсорбционные фильтры) играют важную роль в снижении риска возникновения замыкания обмотки. Таким образом, для массы масла в трансформаторе 50 тонн на силикагелевых фильтрах для непрерывной очистки масла может адсорбироваться до 230 кг и более полярных соединений — продуктов старения масла.
Следует отметить, что показатели концентраций соединений металлов конструкционных материалов, наиболее опасные на практике в изоляции обмоток при наличии фильтров для непрерывной очистки масла при современной замене силикагеля, как правило, не превышают 2% по массе.
С целью повышения эффективности работы фильтров непрерывной очистки масла для полного удаления как органических, так и минеральных частей загрязнений изоляционных материалов целесообразно разработать сорбенты нового поколения путем физико-химической модификации поверхности силикагелей, применяемых в настоящее время.
На практике широко применяется изоляция типа концентратора RIP твердым полимером. Они дают возможность значительно снизить риск, связанный со взрывами и пожарами, а также опасными действиями на окружающую среду.
Однако при напряжениях 220 – 500 кВ в ряде случаев наблюдался выход из строя этих присадок.
Изоляционный материал высоковольтных выводов работает в условиях ионизирующего излучения низкоэнергетических ускоренных электронов в присутствии электрического поля.
Высоковольтные провода с бумажно-масляной изоляцией обладают свойством «самовосстановления». Здесь пластификация (заполнение) изоляционной бумаги маслом вызывает вырождение свободных радикалов, которые образуются при их принятии маслом. Это подавляет развитие процессов радиационной деструкции в изоляционной бумаге, входящей в состав бумажно-масляной изоляции при частичных разрядах.
Следовательно, нефть способна поглощать и растворять газообразные и другие продукты разложения нефте- и твердой изоляции, образующиеся под действием частичных разрядов, обладающих достаточно сильным деионизирующим действием на нагнетательный канал.
Для твердой RIP-изоляции повреждения, возникающие в результате частичных разрядов, накапливаются. Основными стадиями начальных форм дезинтеграции, являются:
- Разрыв связей
- Образование свободных радикалов и превращение их в устойчивые химические группы
- Накопление молекулярных распадов с последующим образованием субмикротрещин.
Очевидно, что образование свободных радикалов в изоляции может привести к значительному локальному повышению электропроводности в области, где есть частичные разряды и их дальнейшее развитие.
Скорость микропроцессов в этом случае зависит не от средних напряжений, а от локальных напряжений, которые действуют в небольших областях, где происходит элементарный разрыв связей.
При повышении уровня частичных разрядов мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения увеличивается, что приводит к развитию радиационно-эрозионных процессов и, в конечном счете, разрыву основной свинцовой изоляции.
Применение RIP-изоляции не приводит к повреждению высоковольтных проводов на напряжениях 35 и 110 кВ. Приобретенный опыт применения проводов на 35 и 110кВ показывает достаточно высокий уровень надежности.
Тем не менее, повреждение проводов напряжением 220кВ и выше свидетельствует о достаточно жесткой взаимосвязи между структурно-химическими и массогабаритными характеристиками RIP-изоляции и ее устойчивостью к эксплуатационным воздействиям, в том числе к интенсивным частичным разрядам. Как следует из опыта эксплуатации, высоковольтные выводы с RIP-изоляцией склонны к повреждению на деталях с повышенной напряженностью поля — в районе монтажного фланца.
В последнее время, как в России, так и за рубежом, стали широко применяться системы непрерывного мониторинга состояния трансформатора. Лучше всего использовать системы для своевременного отключения трансформатора до того, как произойдет дуга, взрывы или пожары. Исходя из имеющегося опыта для этих целей, целесообразно постоянно контролировать следующие факторы:
- Содержание растворенных в нефти газов, в первую очередь водорода,
- Влажность масла;
- Частичные разряды
Наиболее наглядно это можно показать на примере повреждения трансформатора типа ТЦ-400000500-УХЛ1, который был введен в эксплуатацию в 2012 году. К трансформатору была подведена штатная релейная защита, а также противоаварийная автоматика и автоматическая система водяного пожаротушения.
Кроме того, в дополнение к ним была включена система непрерывного наблюдения за содержанием горючих газов и уровнем влажности в масле, а также система контроля характеристик частичных разрядов, размещенная на высоковольтных выводах трансформатора, вместе с системой предотвращения взрывов и пожаров в трансформаторе, производства Sergi Transformer Protector Company (тип MRT).
Fig. 1. Disruptive disk of the system for preventing explosions and fires in a transformer, manufactured by Sergi Transformer Protector Company after operation.
Аварийное отключение агрегата было вызвано действием дифференциальной защиты трансформатора. Эксплуатация этого и взрывчатого диска привела к срабатыванию системы обеспечения защиты от взрывов и пожаров (система «Трансформатор протектор») и системы противопожарной защиты трансформатора. Срабатывание дифференциальной защиты трансформатора происходило через 22 мс после возникновения короткого замыкания, а срабатывание диска трансформатора происходило через 23 мс (внешний вид диска после работы показан на рис. 1).
Через 24 мс был сформирован сигнал на отключение автоматических выключателей, и на срабатывание системы защиты от взрывов и пожаров ( Transformer Protector). Через 29 мс сработала вторая ступень газовой защиты трансформатора, а через 48 мсек — I ступень. Затем, через 52 мс, автоматические выключатели были отключены. Через 94 мс был сформирован сигнал «Срабатывание клапана предварительной защиты» и «Перегрев обмотки» (выше 115°С). Штатная релейная защита и противоаварийная автоматика работали без замечаний.
Отмечен положительный результат работы Трансформаторного протектора без сброса давления и последующей подачи азота в бак трансформатора. Зафиксировано отсутствие воспламенения и деформации бака трансформатора.
Причиной повреждения трансформатора стало дуговое прогорание верхней половины высоковольтной фазы В, имеющей вход в середине катушки. Дуговое просвечивание
произошло из-за снижения электрической прочности маслозащитной изоляции, что вызвало развитие ползучего разряда по поверхности электроизолированного цилиндра, вблизи обмотки трансформатора (рис. 2).
Fig. 2. Creeping discharge tracks on the surface of an electrically insulated cylinder
Как следует из графика импульсов частичного разряда (рис. 3), максимальная амплитуда пробоя первого масляного канала была отмечена через 36 часов после момента возникновения электрической дуги. На графике, показывающем содержание горючих газов и уровень влажности масла системы HYDRAN M2 (рис. 4), видно повышение уровня концентрации газа через 36 ч с момента возникновения интенсивной электрической дуги с 22 до 70 ppm. Степень
опасность развития дефекта устанавливается по относительной скорости увеличения концентрации горячих газов (РД 1530340-46.32–00, изд. ВНИИЭ, М., 2000). За месяц этот показатель составил 4363%.
Согласно Регламентирующему документу РД 153-340-46.32–00, если относительная скорость увеличения концентрации газа/газов (в данном случае основным газом является водород) превышает 10% в месяц, это свидетельствует о наличии быстро развивающегося дефекта трансформатора. Объемная доля водорода, растворенного в нефти, составила тогда 0,007%, т. е. не достигла предельного значения 0,01% для массы нефти 47,39 т через 36 ч. Показатель относительной скорости прироста газа, в первую очередь водорода, являющийся основным показателем, сигнализирующим о степени опасности развития дефекта, в системе мониторинга HYDRAN M2 не предусмотрен.
Для рабочих настроек срабатывания предупредительной и аварийной сигнализации, заданных заводом-изготовителем системы HYDRAN M2, сигнализация, свидетельствующая о поломке оборудования до возникновения интенсивной электрической дуги, не срабатывала, так как значения измеряемых показателей не достигали заданного уровня. Для определения степени опасности развития дефекта, исходя из имеющегося опыта, рабочая установка, указывающая уровень горячих газов, должна быть установлена на относительную скорость прироста водорода и не менее 1000% в месяц.
В настоящее время в российских стандартах в качестве нормируемой характеристики частичных разрядов используется только максимальное значение кажущегося заряда qmax, без указания их интенсивности, что приводит к субъективной оценке степени опасности частичных разрядов. Разрыв изоляции единичными частичными разрядами происходит значительно медленнее, чем разрыв изоляции многократно образующимися частичными разрядами при той же величине кажущегося заряда.
В стандарте [22]МЭК установлено, что для оценки степени опасности пробоя изоляции вследствие действия частичных разрядов следует использовать максимальные значения кажущегося заряда qmax многократного образования частичных разрядов в течение одного цикла записи.
На основании опыта диагностирования изоляции трансформаторов напряжения 220 – 500 кВ и анализа полученных экспериментальных данных о разрыве бумажно-масляной изоляции вследствие частичных разрядов предпочтительно установить критерий многократно возникающих частичных разрядов, равный 0,5, уровень опасности кажущегося заряда из-за частичных разрядов не менее 10 нС, и продолжительность одного цикла записи от 1 сек до 1 мин.
Следует отметить, что при использовании электрооборудования, выходящего за пределы штатных параметров, существует повышенная вероятность отключений и, как следствие, повышенная опасность как для оборудования, так и для жизни и здоровья персонала.
Целью ремонтно-профилактических мероприятий является обеспечение работы трансформатора в пределах его нормативных параметров, т.е. перевод объекта в правильное состояние, в котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации.
Все показатели, представленные в Регламентирующем документе РД 34.45-51.300–97, за исключением степени полимеризации, сопротивления короткому замыканию и загрязнения металлосодержащими коллоидными частицами, являющихся основными показателями предельного состояния трансформатора, могут быть переведены в состояние, соответствующее требованиям вышеуказанного документа, с применением ремонтно-профилактических мероприятий или путем замены отдельных компонентов трансформатора (высоковольтных проводов, нефти и т.д.).
В соответствии с требованием раздела 1.5 «Правил технического применения электрических установок и сетей Российской Федерации» (СПО ОРГРЕС, Москва, 2003 г.) техническое освидетельствование электрооборудования определяется на основании нормативно-технической документации о сроке службы, а при проведении каждого осмотра в зависимости от состояния оборудования, Отмечается дата, в которую должна быть проведена очередная проверка.
Задачами, связанными с техническим обследованием, являются оценка состояния, а также определение мероприятий, необходимых для обеспечения установленного срока службы энергетического оборудования. Естественно, это требование распространяется и на трансформаторы. В этом случае возникает необходимость в комиссиях, осуществляющих технические осмотры, в установленном порядке для того, чтобы сделать выводы относительно предельного состояния трансформатора и при приближении состояния трансформатора к предельному состоянию указать на необходимость (желательность) планирования его замены.
Когда трансформатор достигает предельного состояния в процессе эксплуатации, перед его заменой необходимо произвести измерения влажности и напряжения пробоя масла, а также провести хроматографический анализ растворенных в масле газов, в первую очередь водорода, с периодичностью один раз в полгода, чтобы выявить снижение электрической прочности бумажно-масляной изоляции.
Затем сигнальные компоненты газового реле целесообразно перевести в положение отключения, а также выбрать порядок подключения автоматического выключателя для автоматического повторного отключения линий электропередач от конца противоположной подстанции, в которой установлен трансформатор, или даже ввести остановку на автоматическое повторное подключение.
ВЫВОДЫ
1
Разработаны системные подходы и накоплен достаточный опыт, которые в настоящее время позволяют сформулировать принципы комплексного подхода к оценке технического состояния силовых трансформаторов, а также определить предельное состояние и принять решения с целью снижения риска повреждений, взрывов и пожаров в трансформаторах. Тем не менее, существует необходимость продолжения исследований и составления на их основе ряда важных документов, предназначенных для получения более полной и достоверной информации для оценки работоспособности трансформаторов.
В частности, необходимо сформулировать следующие требования:
- необходимость разработки «Процедур оценки предельного состояния при проведении технического освидетельствования трансформаторов»;
- необходимость разработки стандарта «Критерии оценки загрязнения изоляции обмоток трансформаторов, автотрансформаторов и миниатюрных реакторов металлосодержащими коллоидными частицами»;
- необходимость исследования нового поколения сорбционных материалов в фильтрах для непрерывной очистки масла для полного удаления как органических, так и минеральных частей загрязнений с целью продления срока службы трансформаторов.
2
В настоящее время разработана достаточно полная методика оценки остаточного ресурса бумажной изоляции обмоток трансформаторов, который следует рассчитывать с использованием параметра степени полимеризации исходя из его фактической динамики вариации.
3
Наиболее актуальной проблемой является использование системы мониторинга для индикации процессов, происходящих при развитии внутренних коротких замыканий в трансформаторе на стадии развития электрического повреждения, предшествующего возникновению электрической дуги. Для этого необходимо уточнить контроль содержания газа, в первую очередь водорода, содержания влаги в трансформаторном масле и частичных разрядов. Необходимо разработать типовую основу для принятия решения о выводе трансформатора из эксплуатации до возникновения электрической дуги с использованием системы мониторинга.
