Характерные повреждения силовых трансформаторов

Одним из основных направлений в диагностике электрооборудования является диагностика силовых трансформаторов. Вызвано это обстоятельство высокой стоимостью трансформатора, его значимостью в вопросах надежности электроснабжения потребителей, сложностью определения повреждений и дефектов на ранней стадии развития. Диагностика силовых трансформаторов является сложным многогранным процессом. По опыту многолетней эксплуатации трансформаторов установлены типичные виды повреждений, их признаки, возможные причины и способы выявления.

Магнитопровод. При наличии дефекта в межлистовой изоляции возможны перегревы, вызываемые вихревыми токами или токами в короткозамкнутых контурах, образованных в результате нарушения изоляции массивных деталей остова от активной стали. В случае конденсации влаги на поверхности масла она попадает на верхнее ярмо, проникает между пластинами активной стали в виде водомасляной эмульсии, разрушает межлистовую изоляцию и вызывает коррозию стали. По этим причинам ухудшается состояние масла (понижается температура вспышки, повышается кислотность) и увеличиваются потери холостого хода.

Обмотки. Наиболее характерным видом повреждений в обмотках является витковое замыкание. Причиной его может быть разрушение изоляции из-за старения вследствие ее естественного износа или из-за продолжительных перегрузок трансформатора при недостаточном охлаждении обмоток. Нарушение изоляции витков может произойти также вследствие механических повреждений при коротких замыканиях. Признаками витковых замыканий являются срабатывание газовой защиты, повышенный нагрев, различие в сопротивлениях фаз постоянному току и т. д.

На трансформаторах мощностью от 1000 кВ·А устанавливается газовое реле, срабатывание которого происходит в результате выделения внутри трансформатора газов из-за разложения масла, вызванного указанными повреждениями. О причинах срабатывания газовой защиты и о характере повреждения можно судить по результатам химического анализа скопившегося в реле газа, который позволяет выявить повреждения на ранней стадии их возникновения и в ряде случаев оперативно устранить их.

Применяемые на практике методы контроля интегрального состояния изоляции трансформаторов (сопротивление изоляции, коэффициент абсорбции, tg δ, C₂/C₅₀ и др.) не позволяют обнаружить частичные повреждения изоляции в начальной стадии их развития и указать характер и степень имеющегося повреждения. Одним из наиболее перспективных направлений в исследовании повреждений работающих трансформаторов является периодический анализ содержания растворенных в масле газов, определяемых хроматографическим методом.

 

7.2 Хроматографический метод диагностики силовых трансформаторов

 

При действии аномальных нагрузок термического и электрического характера в изоляции трансформаторов возникают и развиваются повреждения в виде локальных перегревов и частичных разрядов, переходящих в дуговой разряд. Выделяющаяся при этом энергия вызывает разрушение изоляционной жидкости с образованием продуктов, называемых дефектными газами. Анализ трансформаторного масла на наличие дефектных газов и определение их концентрации позволяет обслуживающему персоналу своевременно распознать развивающийся дефект до того как он, прогрессируя, приведет к аварийному отключению оборудования, что всегда связано с экономическими потерями.

Процессы термического разложения изоляции и ее разрушения электрическими разрядами приводят к выделению газов, растворяющихся в масле. Каждому виду дефекта соответствует характерный набор газов. В таблице 7.1 приведен состав газов, растворенных в масле, характерный для различных дефектов трансформаторов.

 

Таблица 7.1 - Состав газов, характерный для различных дефектов

 

Газ ……………………	Н2	СН4	С2Н6	С2Н4	С2Н2	С3Н8	С3Н6
Электрические разряды: дуговые……………. искровые ………….. частичные ………… Местный нагрев: до 300 °С …………. св. 300 °С до 1000 °С …………… св. 1000 °С…………	а а а г г в	б в в в в б	г г г а г г	б в г в а а	а а в (д) - г в	г - - б г г	в г - г б в

 

Обозначения: а – основной газ для данного дефекта; б, в – характерный газ соответственно при высоком содержании или малом содержании; г – нехарактерный газ; д – газ при высокой плотности выделяемой энергией.

 

Кроме указанных газов в масле может содержаться кислород (воздух), наличие которого свидетельствует о нарушении герметичности трансформаторов. Растворенная вода, особенно в комбинации с полярными продуктами старения масла и кислотами, существенно влияет на диэлектрические характеристики жидких и твердых изоляционных материалов. Непрерывный контроль влагосодержания масла на протяжении длительного периода времени и принятие соответствующих мер при внезапном росте или недопустимо высоком влагосодержании поможет продлить жизнь маслонаполненного оборудования, сохранить его высокие технические характеристики и эксплуатационную надежность.

В настоящее время выпускается большой спектр хроматографических установок, позволяющих проводить анализ содержания воды и растворенных газов. Основной недостаток большинства из этих установок — невозможность получать информацию в режиме «on-line» - в режиме реального времени, поскольку между отбором пробы масла и получением результатов анализа проходит довольно длительное время.

Отечественные установки, содержащие хроматограф, пробоотборники, программное обеспечение результатов анализа и различное вспомогательное оборудование, разработаны во ВНИИЭ (НПФ «Электра»). Эти установки позволяют обнаруживать вредные компоненты при следующей нижней концентрации: вода - 2,0 г/т, воздух - 0,03 %, водород - 0,0005 %, метан, этан, этилен - 0,0001 %, ацетилен - 0,00005 %, оксид и диоксид углерода - 0,002 %.

Принцип действия существующих установок непрерывной диагностики основан на измерении объема всех растворенных в масле газов или на определении его объемного сопротивления.

В ВЭИ была создана и внедрена дистанционная система диагностики ССГ-1, предназначенная для работы в составе АСУТП непрерывного контроля и прогнозирования состояния трансформаторов. Шкаф ССГ-1 устанавливается у трансформатора и подключается к его заземленной системе охлаждения в двух точках с разным давлением масла, чтобы обеспечить его естественную циркуляцию через установку. Установка в автоматическом режиме осуществляет периодический контроль концентрации всех горючих газов и температуры масла в месте присоединения. Длительность цикла измерений составляет 4 ч. Если суммарная объемная концентрация горючих газов не превышает 500 ppm, то состояние изоляции трансформатора не вызывает подозрений, если концентрация находится в диапазоне 500... 1500 ppm, то хроматографический анализ масла должен проводиться не реже планового, если концентрация превышает 1500 ppm, то следует внимательно следить за скоростью нарастания концентрации горючих газов и провести внеочередной хроматографический анализ. Концентрация свыше 3000 ppm свидетельствует о развитии серьезного дефекта и требует принятия срочных мер для предотвращения аварии.

За рубежом получили распространение установки непрерывного действия HYDRAN фирмы «Syprotec Corp» (США) различных модификаций, которые также подключаются непосредственно к трансформатору. Они измеряют суммарную концентрацию горючих газов и пересчитывают ее в водородный эквивалент. Математическое обеспечение установок позволяет анализировать поступающие данные и прогнозировать развитие дефектов, которые могут привести к аварии трансформатора.

Для контроля состояния герметичных трансформаторов и вводов, в ВЭИ были разработаны микропроцессорные датчики давления и температуры, устанавливаемые с помощью штуцеров непосредственно на баке или вводах. Они измеряют температуру и давление масла в месте установки и соединяются с системой диагностики. Снижение давления ниже нормы свидетельствует о наличии течи масла, а повышение давления и (или) температуры — о внутреннем повреждении в трансформаторе или вводах. Скорость изменения контролируемых параметров свидетельствует о степени серьезности повреждения.

ООО НПЦ "ЭРИДАН" предлагает для диагностирования масляных трансформаторов программно-аппаратный комплекс на базе автоматизированного многоканального газового хроматографа «Кристаллюкс - 4000М». На рисунке 7.1 приведена хроматограмма анализа контрольной смеси газов - аналога состава выделяющихся из трансформаторного масла газов.

 

Рисунок 7.1 - Хроматограмма анализа контрольной смеси газов

 

Анализ проводится с помощью насадочных колонок и детекторов соответственно пламенно-ионизационного (ПИД) с метанатором и по теплопроводности (ДТП) согласно нормативным документам: РД 34.46.303-98 - Методические указания по подготовке и проведению хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов, РД 34.46.302-89 - Методические указания по диагностике развивающихся дефектов по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов, РД 34.51.304-94 - Методические указания по применению в энергосистемах тонкослойной хроматографии для оценки остаточного ресурса твердой изоляции по наличию фурановых соединений в трансформаторном масле. В состав комплекса входят хроматограф «Кристаллюкс - 4000» с аналитическим модулем ПИД/ДТП, метанатор, 10-ходовый кран-дозатор, хроматографические колонки, программа обработки хроматографической информации, программа диагностики дефектов трансформатора, персональный компьютер, принтер, устройства для подготовки проб, устройства для формирования и подачи газов и баллон с поверочными смесями. Устройства для подготовки проб включают в себя: кран для заполнения шприца газом-носителем, устройство для достижения равновесия в шприце, шприцы для отбора, транспортировки и хранения масла.

Регулярный контроль газов на месте установки трансформатора можно осуществлять с помощью прибора TFGA-P200, применение которого позволяет снизить эксплуатационные расходы и уменьшить количество анализов в лаборатории. Прибор TFGA-P200 - это высокоскоростной газовый микрохроматограф, оптимизированный для измерения семи наиболее важных дефектных газов: водорода, метана, оксида углерода, диоксида углерода, этилена, этана и ацетилена. Особенностями прибора являются: собственный внутренний источник газа носителя (гелий), а также внутренние заряжаемые батареи, что обеспечивает автономную работу в течение не менее 15 часов. Применение в составе прибора специальных шприцев для экстракции газов позволяет выполнить анализ пробы масла в полевых условиях в течение нескольких минут. Продолжительность измерения концентрации всех семи газов в отдельности с момента введения пробы в анализатор составляет менее 120 секунд. Проба газа, отобранная из газового реле или из специального зонда, экстрагирующего газ из масла, может быть проанализирована за несколько минут.

Рисунок 7.2 - Прибор TFGA-P200

Прибор поставляется в комплекте с программным обеспечением для управления ходом анализа и программой оформления протокола испытаний. Последняя программа разработана для подготовки стандартного протокола анализа газов в масле, а также для экспорта данных о пробе и результатов анализа в специальную экспертную диагностическую программу, позволяющую интерпретировать полученные результаты. Предел обнаружения растворенных в масле газов составляет: для водорода (Н₂) - 5 ppm; метана (СН₄), окиси углерода (СО), двуокиси углерода (СО₂), этилена (С₂Н₄), этана (С₂Н₆), ацетилена (С₂Н₂) - 2 ppm.

Микропроцессорный электронный прибор КАЛИСТО фирмы Morgan Schaffer осуществляет непрерывный контроль растворенного водорода и воды в масле работающего трансформатора. Прибор предназначен для раннего обнаружения развивающихся повреждений трансформатора и обоснованного планирования мероприятий по обслуживанию оборудования на базе данных контроля. Этот прибор специально разработан для наружной установки и защищен от всех климатических воздействий, может быть легко интегрирован в существующие мониторинговые системы мощных трансформаторов и подстанций, в том числе систему SCADA. КАЛИСТО позволяет измерять от 0 до 50000 ррт растворенного водорода в масле и от 0 до 100 % относительной влажности растворенной воды. Результат измерения может быть представлен в % относительной влажности приведенной к 25 °С, в ррт абсолютной влажности, в % относительной влажности при реальной температуре трансформатора. Погрешность измерения составляет 0,5 % от концентрации СО и 0,1 % от концентрации всех остальных газов.Чувствительность составляет 5 ррт в масле по водороду, 2 ррт в масле по воде. Измерительная схема построена на основе детектора по теплопроводности и маслозаполненного емкостного сенсора относительной влажности. Прибор имеет размер памяти: 1500 записей. Для передача информации используется порт RS-232. Программное обеспечение в формате Windows

В ВЭИ создана установка для непрерывного контроля изоляционных свойств масла путем измерения его объемного сопротивления ρ_υ. Испытательная ячейка подключается к заземленному маслопроводу трансформатора и периодически передает данные о величине ρ_υ в систему контроля параметров. По величине ρ_υ, на которую влияют продукты старения масла, можно судить о величине его tg δ. В совокупности с другими датчиками, эта установка может входить в состав диагностической системы трансформатора.

Рисунок 7.3 - Прибор КАЛИСТО

Программное обеспечение для сбора и обработки хроматографических данных и автоматического диагностирования рассмотрим на примере приложения для диагностики трансформаторов для Windows «Цвет – Аналитик» ОАО "Цвет". Приложение для диагностики трансформаторного масла создано в соответствии с документом РД 153-34.0-46.302-00 и предназначено для диагностики обыкновенного маслонаполненного оборудования. Все результаты работы данного приложения носят рекомендательный характер в соответствии с руководящим документом. Приложение содержит базу данных анализов, сюда заносятся данные о трансформаторах (местоположение, паспорт) и результаты проведенных анализов. Программа реализует соотношения различных пар газов и соответствующие им дефекты. Программа также содержит базу граничных и пороговых концентраций растворенных в масле газов, а также значения коэффициентов растворимости газов в масле и критерии отбраковки высоковольтных герметичных вводов. Каждому типу оборудования соответствуют свои граничные концентрации и присваивается уникальный номер.

В процессе диагностирования выбирается нужный диспетчерский номер и точка отбора, при необходимости заполняется паспорт оборудования. Номер типа оборудования соответствует номеру типа оборудования в таблице граничных концентраций. В выпадающем списке выбирается тип анализа - плановый или при срабатывании газового реле. В случае срабатывания газового реле можно провести анализ газа из реле. Для этого необходимо выделить соответствующий пункт в параметрах диагностики. Сначала необходимо добавить анализ газа из реле, затем масла из бака трансформатора и только затем переходить к диагностированию. При анализе трансформатора с РПН можно провести анализ масла из контактора. Для этого необходимо выделить соответствующий пункт в параметрах диагностики. Сначала необходимо добавить анализ масла из контактора, затем масла из бака трансформатора и только затем переходить к диагностированию. Для просмотра результата диагностики необходимо нажать кнопку «Отчет по диагностике». После просмотра результат диагностики можно вывести на печать. В программе существует возможность определения дефектов графическим способом и построение графиков изменения концентрации газов во времени. Для построения графиков изменения концентрации газов во времени необходимо отметить нужные газы, задать временной диапазон и нажать кнопку «Построить график». Для определения дефектов графическим способом необходимо перейти на закладку «По компонентам», нажать кнопку «Построить график» и подобрать в древовидном списке наиболее похожий стандартный график дефекта.