Комплексное диагностическое моделирование параметров технического состояния силового трансформаторно-реакторного электрооборудования

Вид материала

Автореферат

Содержание С» обмотки НН возникли значительные радиальные деформации с началом потери осевой устойчивости (ΔZк В пятой главе В при плотности тока j Глава шестая

Подобный материал:

• Инструкция по проектированию силового и осветительного электрооборудования, 1220.04kb.
• Инструкция по проектированию силового и осветительного электрооборудования, 1253.3kb.
• Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №4(16) математическое, 61.09kb.
• 1 Описание объекта диагностирования, 674.93kb.
• Экзаменационные вопросы !!!, 36.74kb.
• Комплект оборудования для передвижной лаборатории оперативной оценки технического состояния, 47.86kb.
• О мониторинге технического состояния жилых домов на территории города Москвы, 111.45kb.
• ИнтервальноЕ моделирование свойств сплава, 16.17kb.
• Разработка системы многоаспектной оценки технического состояния и обслуживания высоковольтного, 878.41kb.
• «Общественного Совета специалистов по диагностике силового электрооборудования при, 140.4kb.

Глава четвертая диссертации посвящена методам диагностики и их связи с повреждаемостью высоковольтного маслонаполненного ТРЭО. На конкретных примерах проведен анализ основных причин внутренних повреждений обмоток силовых трансформаторов и реакторов напряжением 110-500 кВ в процессе эксплуатации.

Внутренние повреждения ТРЭО весьма разнообразны. Их классификация и причины приведены в главе 1. В настоящей главе рассмотрим некоторые из них в сочетании с описанием конкретных производственных ситуаций, методов и результатов их диагностики.

Одной из причин (примерно 25%) повреждения обмоток силовых трансформаторов и реакторов являются повреждения высоковольтных вводов, которое приводит в большинстве случаев к распространению очага аварии на активную часть. В свою очередь наиболее распространенной причиной повреждений является образование так называемого «желтого налета» на внутренней поверхности фарфоровой покрышки высоковольтного ввода. Выпадение осадка из залитого во ввод масла типа Т-750 происходит в процессе эксплуатации.

Внутренние замыкания обмоток могут быть вызваны пробоем витковой изоляции в результате деструкции изоляции под воздействием эксплутационных факторов и действием частичных разрядов (ЧР) в месте будущего пробоя. Инициаторами этих процессов могут служить коммутационные, грозовые и иные повышенные воздействия на изоляцию (вторая причина).

Третьей основный причиной внутренних замыканий обмоток является недостаточная электродинамическая стойкость обмоток при КЗ, которая часто приводит к пробою изоляции в месте остаточных деформаций и витковому замыканию с аварией трансформатора с тяжелыми последствиями, особенно у трансформаторов, имеющих большой срок службы (более 25 лет).

Наиболее эффективными методами диагностики ТРЭО, чувствительными к изменению механического состояния обмоток являются наряду с измерением сопротивления (напряжения) КЗ, метод НВИ, метод частотного анализа спектров сигналов обмоток (в английской аббревиатуре FRA - Frequency Response Analysis) и др. НВИ-диагностика более чувствительна, чем метод измерения сопротивления КЗ Z_k к любым изменениям механического состояния обмоток, приводящим к локальным изменениям взаимных и собственных емкостей и индуктивностей (межвитковых, межкатушечных, межобмоточных, межфазных, на магнитопровод и бак).

Методика обнаружения дефектов силовых трансформаторов в виде остаточных деформаций (изменения геометрии) обмоток после протекания сквозных токов КЗ предложена В. Лех и Л. Тымински (Польша) в 1966 г. Разработка инструментальной базы для НВИ-диагностики была продолжена в ВЭИ им. В.И. Ленина, г. Москва.

Несмотря на все положительные стороны метода НВИ, необходимо иметь ввиду, что по осциллограммам НВИ возможна лишь качественная оценка изменений в обмотке силовых трансформаторов по изменению частоты и амплитуды. Поэтому не всегда удается с полной уверенностью интерпретировать изменения в кривых НВИ, что затрудняет постановку диагноза повреждения.

Спектральный анализ этих сигналов дает возможность оценивать результаты воздействия токов КЗ на объекты ТРЭО по изменениям частотного спектра сигналов, применяемых в диагностике. Использование частотных характеристик объектов ТРЭО в целом и по отдельным обмоткам, как метода диагностики их состояния, основано на частотном методе анализа спектров сигналов, зафиксированных на обмотках.

Для построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) обмотки трансформатора можно использовать численный спектральный анализ на основе дискретного преобразования Фурье.

При испытаниях фазы «А» трансформатора ТДЦ-250000/220 после опыта КЗ с 85% значением ударного (апериодического) тока в осциллограммах НВИ произошли значительные амплитудно-частотные изменения величиной до 1,5 В, соответствующие радиальным деформациям в обмотке НН фазы «а», которые действительно были обнаружены после завершения испытаний и разборки трансформатора на заводе-изготовителе. Был сделан вывод о невозможности проведения дальнейших испытаний (Рис. 10). Применение данной методики обнаружения деформаций позволило спрогнозировать процессы, происходящие внутри трансформатора в ходе испытаний на стойкость к токам КЗ, и предотвратить разрушение его обмоток.

Изменения в спектрах обмоток, произошедшие в результате радиальных деформаций, носят в основном амплитудный характер, изменения по частоте менее значительны. Одной из основных резонансных частот являются частоты с периодом 3 микросекунды, то есть. .

Расчетами спектров подтверждается, что одной из основных резонансных частот является частота 320 кГц. Также резонансными являются частоты 110 кГц и 510 ÷ 550 кГц. Можно констатировать увеличение амплитуд после возникновения деформаций на частотах 320 кГц и 550 кГц.

Предварительный вывод по прогнозу характера повреждений, который можно сделать на основе анализа результатов расчета спектров обмотки НН фазы «а» трансформатора ТДЦ-250000/220, заключается в том, что радиальным деформациям обмоток соответствует увеличение амплитудного значения средних и высоких частот в 1,3 ÷ 2 раза.

Исследования и математическая обработка результатов НВИ на основе спектрального анализа для трансформатора типа ТДЦ-400000/220 в ходе испытаний на стойкость к токам КЗ показали, что после 2-го зачетного опыта на

фазе « С» обмотки НН возникли значительные радиальные деформации с началом потери осевой устойчивости (ΔZ_к=+1,6%).

На рис. 11 пунктиром изображены спектры сигналов в поврежденной обмотке НН фазы «с» трансформатора типа ТДЦ-400000/220, рассчитанные по осциллограммам НВИ.

Был сделан важный вывод, что более значительным деформациям, установленным в настоящем исследовании для трансформатора типа ТДЦ-400000/220, по сравнению с тем, что имеется в трансформаторе типа ТДЦ-250000/220, соответствуют значительно бо́льшие изменения в исследуемых спектрах обмоток. Установлено, что данному типу деформаций соответствуют следующие изменения в спектре сигналов (Рис. 11): произошло исчезновение первоначальных резонансных частот, присутствовавших до испытаний (180 кГц, 440 кГц, 650 кГц), и появились новые резонансные частоты 100 кГц, 140÷160 кГц, 320 кГц, 410 кГц, 950 кГц).

Спектральный анализ позволяет повысить достоверность и эффективность диагностических измерений, дает возможность выявлять деформации на ранней стадии появления, прогнозировать процессы, происходящие внутри трансформатора в ходе испытаний на стойкость к токам КЗ, и предотвратить разрушение его обмоток.

С этой точки зрения токи КЗ, проходящие через силовой трансформатор, представляют наибольшую опасность как электродинамические ударные воздействия на все токопроводящие части. При этом в той или иной мере происходят изменения в геометрии всех конструктивных элементов. А это, в свою очередь, изменяет дифференциальные характеристики электромагнитных полей в трансформаторе, что находит интегральное отражение в его пассивных параметрах.

Рис.10.Осциллограммы НВИ трансформатора типа ТДЦ-250000/220 после КЗ, иллюстрирующие возникновение изменений до 1,5 ÷ 2 В, ΔZк=+1%.

Исследованы зависимости НВИ и спектры сигналов силовых трансформаторов одного типоисполнения. Многолетний опыт технического обследования и диагностики силовых трансформаторов методом НВИ в эксплуатации показал, что основные резонансные частоты в кривых НВИ однотипных трансформаторов, изготовленных по одним и тем же заводским чертежам примерно в одни и те же годы, практически совпадают.

Этот факт позволяет поставить задачу определения этих частот для обмоток, например, ВН и НН для конкретных типов трансформаторов и создания базы данных кривых НВИ трансформаторов некоторых распространенных типов. Проанализирована база данных кривых НВИ обмоток ВН и НН 4-х трансформаторов типа ТДЦ-125000/110 изготовления ОАО «Трансформатор», г. Тольятти, эксплуатируемых на Тольяттинской ТЭЦ, ТЭЦ ВАЗа, Самарской ТЭЦ.

В ходе исследований выявлено, что для обмоток ВН (110 кВ) одной из основных резонансных частот является частота с периодом 10 микросекунд, то есть

,

а для обмоток НН (10 кВ) одной из основных резонансных частот является частота с периодом 5 микросекунд, то есть

.

Таким образом, напрашивается необходимость снятия осциллограмм НВИ обмоток новых трансформаторов на заводе изготовителе или при вводе трансформатора в эксплуатацию на объекте. Это ведет к накоплению опыта изменения резонансных частот однотипных трансформаторов в процессе их эксплуатации при электродинамическом воздействии на обмотки сквозных токов КЗ.

В пятой главе диссертации отражены результаты исследования вопросы электродинамических испытаний силовых трансформаторов на стойкость токам КЗ. Здесь приводятся конкретные примеры испытаний силовых трансформаторов мощностью 25 МВА, 250 МВА и 666 МВА на стойкость токам КЗ на сетевом стенде, а также схемы электродинамических испытаний и осциллограммы токов КЗ в трансформаторе в ходе опытов КЗ.

Механизм изменения геометрии обмоток силовых трансформаторов при протекании токов КЗ хорошо известен. При КЗ под действием электродинамических сил медь обмоточного провода деформируется. Электромагнитная сила, действующая на элемент тока, находящийся в магнитном поле, может быть определена по закону Био-Савара в дифференциальной форме:

Рис. 11. Спектры сигналов трансформатора типа ТДЦ-400000/220 до и после 2-го зачетного опыта КЗ, соответствующие радиальным деформациям с началом потери осевой устойчивости (ΔZк=+1,6%).

df = [B·j]dv, (38)

где df – вектор силы, действующей на элемент проводника объемом dv, находящийся в поле с индукцией В при плотности тока j.

Векторное произведение в правой части равенства показывает, что сила перпендикулярна направлению индукции и направлению плотности тока.

Накопленный опыт испытаний силовых трансформаторов позволяют классифицировать следующие основные виды процессов потери электродинамической стойкости обмоток при протекании сквозных токов КЗ: осевые остаточные деформации, радиальные остаточные деформации, полегание обмоточного провода, скручивание или раскручивание обмоток.

В случае возникновения режима короткого замыкания (КЗ) в результате внутреннего повреждения обмоток трансформатора в процессе эксплуатации или при электродинамических испытаниях на стойкость токам КЗ при искусственном закорачивании выводов обмоток наибольший установившийся ток КЗ по стороне ВН в двухобмоточном режиме без учета промежуточных элементов схемы составит:

, (39)

где U_{ном.отв.} - номинальное напряжение отпайки трансформатора.

Тогда сопротивление КЗ трансформатора составит (U в кВ, S в МВА):

, (40)

сопротивление КЗ сети составит:

, (41)

где U_{c ном.} - номинальное напряжение сети; - мощность КЗ системы, определяемая мощностью сети. Коэффициент трансформации равен:

, (42)

где W_ВН- число витков обмотки ВН; W_НН - число витков обмотки НН.

Установившийся ток в обмотке НН составит:

. (43)

Нормируемые значения апериодических составляющих (ударных) токов КЗ составят: , (44)

, (45)

где К_уд. - значение ударных коэффициентов тока КЗ, которое для мощных трансформаторов принимается К_уд.=1,8.

Выполненные исследования показали, что тяжесть и последствия для обмоток силовых трансформаторов от воздействия токов КЗ в процессе эксплуатации зависят от ряда факторов: мощности КЗ системы и номинальной мощности трансформатора, конфигурации схемы присоединения трансформатора, конструктивного исполнения трансформатора, технического состояния самого трансформатора, удаленности трансформатора от мощных источников генерации в системе, от значения ударного коэффициента К_уд., быстродействия защит и надежной работы коммутационных аппаратов.

Рассмотрены результаты электродинамических испытаний на стойкость при КЗ на конкретных примерах испытаний силовых трансформаторов мощностью 25 МВА/ 110 кВ, 250 МВА/ 220 кВ, 400 МВА/220 кВ и 666 МВА/ 500 кВ на сетевом испытательном стенде.

На рис. 12 приведены осциллограммы токов в обмотках ВН и НН трансформатора типа ТДЦ-250000/220 в ходе 1-го зачетного опыта КЗ на фазе «В».

Схема электродинамических испытаний на стойкость токам КЗ трансформатора типа ТДЦ-250000/220 представлена на рис. 13.

В данной схеме были использованы следующие элементы: 1РВВ, 2РВВ, РТГ-1 – линейные разъединители; ВВ – воздушные выключатели 500 кВ; А1, А4, В3, В6, С2, С5 – высоковольтные тиристорные блоки типа ВТСВ-800/470; ДН-1, ДН-2 – делители напряжения; Ш1–Ш4 – малоиндуктивные измерительные шунты.

Рис. 12. Осциллограммы токов в обмотках ВН и НН трансформатора типа ТДЦ-250000/220 в ходе 1-го зачетного опыта КЗ: 1-ВН фаза «а», 2- НН фаза «а», 3- ВН фаза «c», 4- ВН фаза «в»

Рис. 13. Схема электродинамических испытаний на стойкость токам КЗ трансформатора типа ТДЦ-250000/220.

В настоящее время существует острая необходимость принять принципиальное решение на уровне ОАО «ФСК ЕЭС» о расширении возможностей проведения электродинамических испытаний на стенде ОАО «НИЦ ВВА», о поиске альтернативного варианта сетевого стенда, аналогичного демонтированному стенду МИС в г. Тольятти, или о строительстве нового испытательного стенда.

Проведены расчеты величин установившегося и апериодического токов КЗ и сравнение их с нормируемыми значения-ми, рассчитанными ранее во время испытаний на стенде МИС. Исходя из полученных данных была оценена возможность испытаний на стойкость к токам КЗ трансформаторов типа ТДЦ-250000/220, ТДЦ-80000/110 и ТЦ-666000/500 на подстанциях 750 кВ «Белый Раст» и «Опытная».

Приведенные результаты расчетов дают возможность сделать следующие выводы:

• на подстанции 750 кВ «Белый Раст» можно создать необходимые нормированные значения токов КЗ для испытаний на стойкость к токам КЗ трансформаторов типа ТДЦ-250000/220, ТДЦ-80000/110 и ТЦ-666000/500 при условии питания со стороны Конаковской ГРЭС и подпитки мощности КЗ по линиям Бескудниково – Белый Раст, Очаково – Белый Раст, Опытная – Белый Раст; но в случае подварианта с выделенной линией 500 кВ Конаковская ГРЭС – Белый Раст такие испытания невозможны;
  

- на подстанции 750 кВ «Опытная» возможны электродинамические испытания силовых трансформаторов мощностью 80 МВ∙А/110 кВ, 250 МВ∙А/220 кВ и даже сверхмощного 666 МВ∙А/500 кВ при вариан варианте питания только со стороны Конаковской ГРЭС при не задействованных в опытах КЗ ВЛ 750 кВ Опытная – Белый Раст и Калининская АЭС–Опытная и сохранении транзита электроэнергии по ВЛ 750 кВ в сторону Московского энергоузла.

Таким образом, электродинамические испытания ТРЭО на стойкость к токам КЗ позволяют определить остаточный ресурс конструкции и материалов трансформатора, спрогнозировать процессы, происходящие внутри трансформатора, и по результатам испытаний внести изменения в конструкцию, улучшающие надежность работы ТРЭО и его критерии работоспособности.

Глава шестая диссертации посвящена диагностике и повреждаемости измерительных трансформаторов тока и напряжения. Здесь рассмотрены конкретные примеры повреждений и даются рекомендации по их предотвращению.

Тепловидение позволяет выявлять дефекты измерительных трансформаторов тока на ранней стадии развития, приблизительно за 8 ÷ 12 месяцев до повреждения оборудования.

Рассмотрены примеры обнаружения дефектов ТТ 110 и 330 кВ, ТТ-330 кВ с предельным по норме tgδ = 1,0%, расчетное значение tgδ_расч. = 2,6% при ΔT = 2,2 °C и ухудшенными показателями по ХАРГ, ТТ-110 кВ с обнаруженным за 6 месяцев до взрыва перегревом величиной T = 0,8 °C, дефектный ТТ 110 кВ с разомкнутой вторичной обмоткой.

Приведен пример того, к чему приводит игнорирование рекомендаций тепловизионного обследования. При обследовании на подстанции 110 кВ был обнаружен ТТ-110 с перегревом величиной T = 0,8C, несмотря на настоятельные рекомендации обслуживающий персонал и руководство подстанции не приняли никаких мер по выявлению причин перегрева и через 6 месяцев с момента обнаружения дефекта ТТ-110 кВ произошел его взрыв.

Таком образом, в результате прогнозирования повреждений и расчета экономических аспектов применения тепловизионного обследования можно предсказать момент повреждения электрооборудования и сэкономить денежные средства на ремонт дорогостоящего оборудования. Оценены также экономические результаты, получаемых непосредственно от проведения тепловизионной диагностики электрооборудования.

Применение данной методики обнаружения дефектов и повреждений позволяет спрогнозировать процессы, происходящие внутри ТРЭО при эксплуатационных физических воздействиях, и предотвратить аварийный выход из строя с повреждением соседнего оборудования и обесточением потребителей.

Основной причиной повреждения трансформаторов тока типа ТФКН-330 кВ (ТФУМ) является длительное воздействие высокой температуры на состаренную изоляцию. Второй вероятной причиной повреждения являются электродинамические воздействия на первичную обмотку U-образного типа ТТ-330 кВ из-за близких КЗ в период его эксплуатации и последующее нарушение целостности изоляции, приведшее к пробою первичной обмотки на вторичную.

График изменения значения tgd изоляции ТТ-330 кВ, поврежденного на подстанции «Прикумск» типа ТФКН-330 приведен на рис. 14.

На основе анализа повреждений ТТ типов ТФКН-330 кВ (ТФУМ) и ТФРМ-330 (ТРН-330) рекомендуются следующие диагностические мероприятия: проведение тепловизионного контроля; измерении tgd изоляции ТТ под рабочим напряжением; физико-химический анализ масла; хроматографический анализ масла (ХАРГ); ТТ проработавшие больше нормативного срока эксплуатации требуется ставить на учащенный контроль с использованием вышеперечисленных четырех методов диагностики; установка датчиков локации электрических разрядов.

Рис. 14. График изменения значения tgd изоляции ТТ-330 кВ на подстанции «Прикумск» типа ТФКН-330

Все выявленные тепловизионной диагностикой дефекты подтверждаются другими методами диагностики, в частности хроматографическим анализом растворенных газов в масле, измерением интенсивности частичных разрядов (ЧР) в изоляции электрооборудования и др.

Проведенные в шестой главе исследования, диагностика и оценка технического состояния подтвердили, что тепловизионная диагностика электрооборудования является одним из основных направлений развития системы технической диагностики, которая обеспечивает возможность контроля теплового состояния оборудования без вывода их из работы, выявления дефектов на самой ранней стадии развития, сокращения затрат на техническое обследование за счет прогнозирования сроков и объемов ремонтных работ. В заключении приведены основные результаты работы.