Эксплуатация силовых трансформаторов при достижении

Эксплуатация силовых трансформаторов при достижении
предельно допустимых показателей износа изоляции обмоток
Ванин Б. В., канд. техн. наук, Львов Ю.Н., доктор техн. наук, Львов М.Ю., Шифрин Л.Н.,
кандидаты техн. наук
Научно-исследовательский институт электроэнергетики (ВНИИЭ)
-РАО "ЕЭС России" - ХК "Электрозавод"
Как известно, ресурс бумажной изоляции обмоток трансформаторов считается
исчерпанным при снижении степени полимеризации бумаги до 250 ед. [1]. Однако в
настоящее время отсутствуют рекомендации, что следует предпринимать при достижении
предельно допустимых показателей износа изоляции обмоток в период эксплуатации
трансформатора до его замены с целью снижения риска повреждения.
Для этого необходимо достаточно четко представлять механизм разрушения изоляции
при снижении степени полимеризации бумаги до 250 ед. под воздействием
эксплуатационных факторов.
Как показано в [2], наиболее значимые процессы деградации целлюлозной изоляции
обмоток приводят, в первую очередь, к снижению механической прочности бумаги и
развитию дегидратации (образованию воды).
В отношении деструкции витковой изоляции обмоток необходимо отметить, что
достижение значения степени полимеризации изоляции обмоток 250 ед. может означать
не менее чем четырехкратное снижение механической прочности изоляции по сравнению
с исходной. Значимость процесса дегидратации напрямую связана со степенью износа
бумажной изоляции обмоток. Оценка выхода воды из бумаги, имеющей степень
полимеризации более 250 ед., составляет порядка 10-3-10-2 % массы и не имеет
существенного значения для обеспечения работоспособности изоляции трансформатора,
тогда как при степени полимеризации ниже 250 ед. выход воды из-за дегидратации может
составлять более 6% массы, что приводит к снижению электрической прочности изоляции
трансформатора.
Рассмотрим механизм разрушения витковой изоляции обмоток трансформаторов при
воздействии сквозных токов короткого замыкания при снижении механической прочности
бумаги.
Ток короткого замыкания при протекании через обмотки трансформатора вызывает
сильное прижатие в радиальном направлении витков катушки от сил, вызванных токами в
витках. Термин "катушка" согласно [3] для винтовых одноходовых обмоток соответствует
одному витку, для многоходовых - витку одного хода. Кроме того, на слои изоляции
между витками действуют силы сжатия для внутренней обмотки, вызванные воздействием
радиальных сил на обмотки от осевого поля рассеяния между обмотками, которые могут
приводить к разрыву бумажной изоляции. Самое сильное сжатие имеет место на внешних
витках внутренней обмотки, а самое сильное растяжение - на внутренних витках внешней
обмотки.
Осевые силы стремятся прогнуть витки катушек навстречу друг другу. Это приводит
к тому, что дополнительно на слои изоляции между витками для внутренней и внешней
обмоток действуют силы растяжения. Таким образом, для каждой отдельной катушки
суммарное напряжение складывается из напряжения от радиальных усилий и из
напряжения изгиба от осевых усилий. Кроме этого, на изоляцию концентра действуют
также силы осевого давления. Концентром, согласно [3], называется обмотка стержня или
ее часть, отделенная от других обмоток или частей обмоток вертикальными (осевыми)
каналами.
Суммируя сказанное, запишем в соответствии с [3] условия прочности бумажной
изоляции катушек, находящихся под действием радиальных и осевых усилий,
ост  [ост ];
max  [max],
где ост
- относительная остаточная деформация; [ост ]- допустимое значение
относительной остаточной деформации; max - наибольшее осевое давление на изоляцию
концентра; [max] - допустимое давление в концентре по условиям осевой устойчивости.
Для катушек непрерывного типа рабочее напряжение между витками составляет НО350 В. Для переплетенных обмоток рабочее напряжение между витками равно
напряжению катушки, т.е. примерно 6 кВ. Изоляция непрерывного типа имеет толщину
0,55 - 1,36 мм (на две стороны), а у переплетенной - 1,36 - 2,45 мм (на обе стороны).
Витковая изоляция обмоток (изоляция между соседними витками) выбирается с
учетом допустимых напряженностей при рабочем напряжении, а также при воздействии
коммутационного и грозовых импульсов. Расчетные коэффициенты запаса при этих
воздействиях в различных конструкциях трансформаторов колеблются от 1,1 до 1,7.
Наименьшие запасы электрической прочности витковой изоляции имеют переплетенные
обмотки (трансформаторы 220 кВ и выше).
При повреждении изоляции на проводе (разрыв или трещина) значительно снижается
электрическая прочность между витками (в 1,5-2 раза), что может привести к витковому
замыканию и повреждению трансформатора при воздействии сквозных токов короткого
замыкания или перенапряжениях.
Проанализируем условия работы витковой изоляции обмоток трансформатора при
снижении степени полимеризации бумаги до 250 ед. и воздействии токов КЗ на примере
блочного трансформатора ТДЦ-400000/500/15,75 производства ХК "Электрозавод".
В таблице приведены результаты расчета прочности концентров НН и ВН
трансформатора. Как видно из данных таблицы, условия прочности трансформатора с
исходной изоляцией полностью выполняются.
Как уже было указано, при снижении степени полимеризации бумаги изоляции
обмоток до 250 ед. имеет место не менее чем четырехкратное снижение механической
прочности бумажной изоляции по сравнению с исходной. Для такой изоляции, как
следует из данных таблицы, в ряде случаев условия по запасу устойчивости перестают выполняться, и может иметь место ее разрушение от осевого давления на изоляцию обмоток.
Кроме того, при развитии процесса дегидратации по мере старения изоляции
образуется местное увеличение концентрации влаги, в результате чего возможен разогрев
участка изоляции диэлектрическими потерями, сопровождающийся прогоранием
изоляции с электрическим замыканием витков в месте прогорания. Это одинаково опасно
как для непрерывной, так и переплетенной обмоток.
Подводя итог сказанному, можно сделать вывод о том, что при достижении
предельно допустимых показателей износа бумажной изоляции резко возрастает риск
повреждения трансформатора из-за возникновения витковых замыканий. Так, анализ
повреждаемости за последние 5 лет блочных трансформаторов мощностью 63 МВА и более напряжением 110 - 500 кВ со сроком эксплуатации более 25 лет показывает, что
порядка 45% общего числа их повреждений (без учета повреждений высоковольтных
вводов и устройств РПН), сопровождавшихся внутренними короткими замыканиями,
связано с возникновением витковых замыканий при значительном износе изоляции.
Результаты расчета прочности концентров ВН и НН
трансформатора ТДЦ-400000/500/15,75
№
катушки
1
2
11
Концентр НН
Напряжение
Запас
устойчивости
max , МПА
[max]/ max
0,8
2,1
8,8
68,59
26,56
6,44
№
катушки
Деформация
ост , %
1
2
10
0
0
0
Концентр ВН
Запас по
Напряжение
разрыву
max , МПА
бумажной
изоляции
[ост]/ ост
-
0,5
1,4
5,8
Запас
устойчивости
[max]/ max
57,21
20,02
4,89
21
31
41
51
61
71
81
91
101
111
121
131
132
11,6
12,5
12,8
13,8
14,2
14,2
13,9
12,8
12,5
11,6
9,2
2,0
0,7
4,92
4,54
4,44
4,14
4,02
4,02
4,10
4,46
4,54
4,89
6,19
27,98
78,89
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
123
124
0,06
0,08
0,08
0,08
0,08
0,08
0,08
0,08
0,07
0
0
0
0
25
18,7
18,7
18,7
18,7
18,7
18,7
18,7
21,4
-
7,3
7,2
6,0
4,0
2,5
3,2
4,9
6,9
7,4
6,9
3,7
1,5
0,6
3,90
3,92
4,71
7,03
11,43
8,97
5,84
4,12
3,81
4,09
7,62
18,48
46,11
Примечание. Допустимое осевое давление для концентра НН[max ]= 56,9 МПА, ВН[max ]= 28,4
МПА, допустимая остаточная деформация для концентра ВН [ост] = 1,15%.
Выводы
1. При достижении предельно допустимых показателей износа бумажной изоляции
обмоток трансформатора, т.е. снижении степени полимеризации изоляции до 250 ед.,
резко возрастает риск повреждения трансформатора из-за возможности возникновения
витковых замыканий вследствие снижения механической прочности бумаги и местного
увеличения концентрации влаги в результате развития
процесса
дегидратации
целлюлозной изоляции.
2. При снижении степени полимеризации бумажной изоляции обмоток до 250 ед. в
период эксплуатации трансформатора до его замены (или замены обмоток) следует
проводить измерения влагосодержания и пробивного напряжения масла с
периодичностью 1 раз в 6 мес с целью своевременного выявления возможного снижения
его электрической прочности при полной деградации изоляции.
При этом целесообразно:
сигнальные элементы газового реле перевести на отключение;
выбрать очередность включения выключателей при АПВ линий электропередачи с
конца, противоположного подстанции, на которой установлен данный трансформатор.
Список литературы
1. Объем и нормы испытаний электрооборудования. РД 34.45-51.300-97. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 1998.
2. Нормирование показателей для оценки износа изоляции обмоток силовых трансформаторов / Львов М.
Ю., Чичинский М. И., Львов Ю. Н. и др. - Электрические станции, 2002, № 7.
3. Трансформаторы силовые. Расчет электродинамической стойкости обмоток при коротком замыкании.
РД 16.431-88.