СВ. Иван рилски” маг инж. Александър Георгиев Владимиров



страница1/4
Дата02.01.2018
Размер0.73 Mb.
#39805
ТипАвтореферат
  1   2   3   4
МИННО-ГЕОЛОЖКИ УНИВЕРСИТЕТ

СВ. ИВАН РИЛСКИ”




маг. инж. Александър Георгиев Владимиров


Методи и технически средства за изпитване, диагностика и автоматичен контрол на силови трансформатори.

АВТОРЕФЕРАТ
на дисертация за получаване на образователна и научна степен “Доктор”

Професионално направление 5.2. „Електротехника, електроника и автоматика“

Научна специалност 02.04.15 “Електроснабдяване и електрообзавеждане” (по отрасли)


НАУЧЕН РЪКОВОДИТЕЛ: доц. д-р Румен Георгиев Исталиянов
Рецензенти:

1. проф. д-р Константин Борисов Тричков
2. проф. д-р Владимир Димитров Лазаров

София, 2015

Дисертационния труд е обсъден на заседание на Разширен катедрен съвет на катедра „Електрификация на минното производство” при Минно-геоложки университет „Св. Иван Рилски” (Протокол № 4/26.03.2015) и е насочен за публична защита пред Научно жури .


Дисертацията е разработена в катедра „Електрификация на минното производство” при Минно-геоложки университет „Св. Иван Рилски”, а експерименталните изследвания са проведени върху силови трансфоматори на ЕСО, намиращи се в ТЕЦ „Варна”, подстанция „Модерно предградие” –гр. София, подстанция „Столник”, подстанция „Ален мак” – гр. Благоевград, трансформатор на ТЕЦ Марица изток 3 – ЕНЕЛ в завода за трансформатори на Хюндай хеви индъстриис ко. България в гр. София.
Докторантът работи в ЧЕЗ Разпределение България ЕАД като инженер енергиен диспечер СрН/НН към СДЗ София.

Защитата на дисертационния труд ще се състои на 18 юни 2015 г. в Минно-геоложки университет „Св. Иван Рилски”, Минно-eлектромеханичен факултет, зала 204б от 14.00 часа на заседание на Научно жури, назначено със Заповед № Р-545 от 23.04.3015 г. на Ректора на МГУ „Св. Иван Рилски”

Материалите по дисертацията са на разположение на всички интересуващи се в канцеларията на Сектор „Следдипломна квалификация” на Минно-геоложки университет „Св. Иван Рилски”, гр. София.
Автор: Александър Георгиев Владимиров
Заглавие: Методи и технически средства за изпитване, диагностика и автоматичен контрол на силови трансформатори.
Тираж: 20 бр.
Издателска къща „Св. Иван Рилски” при МГУ - София


І. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИЯТА.
Актуалност. Силовите трансформатори са едни от най-скъпите съоръжения използвани при изграждането на електроснабдителната система. Те се явяват основно звено в технологичната верига за пренасяне на електрическа енергия на големи разстояния с минимални загуби. Основен елемент са както на енергийната система на отделно взета страна, така и на съвместно работещи две и повече енергийни системи. Ето защо от надеждната работа на силовите трансформатори и качеството на преобразуване на електрическата енергия в тях зависи надеждността на енергийната система на всяка страна, качеството на електроснабдяване на различните категории потребители и ефективността на нейното преобразуване и пренасяне.

Една от основните причини за извънпланово извеждане на трансформатор от експлоатация е недостатъчната механична устойчивост на намотките на трансформатора в режими на късо съединение. При протичане на токовете с голяма стойност върху намотките действат определени аксиални, радиални и тангенциални сили, който могат да превишат няколко пъти нормалните механични сили получаващи се в следствие на протичането на номиналните магнитни потоци през намотките и магнитопроводът. С увеличаването на възрастта на трансформаторният парк и при наличие на голям брой къси съединения претърпени от електрическите машини, този проблем става все по-актуален.

Друг съществен проблем е стареенето на електрическата изолация на електрическата машина. Стареенето на хартиено-маслената и бариерно-маслената изолация на трансформаторите се проявява като изменение на електрическите и физикохимичните характеристики на тези изолационни системи. След преминаването на определена граница на стареенето, изолацията на намотките на трансформатора става по-крехка и при внезапни къси съединения не може да устои на механичните сили, получаващи се в следствие на протичането на токовете на късо съединение. В резултат се получават вътрешни къси съединения в трансформатора, което налага неговото бракуване или ремонт.

За осигуряване на висока експлоатационна надеждност на силовите трансформатори се извършва задължителен обем измервания през целият им жизнен цикъл.

Определянето на обема, избора на методите, техническите средства и периодичността на изпитване и проверка на силовите трансформатори по време представлява една незавършена и актуална задача за изследване. Проблем е и липсата на единен и универсален стандарт за контролни, типови и специални изпитания на силови трансформатори. Това затруднява производителите на трансформатори и увеличава разходите за поддържане на актуален набор от стандарти на ГОСТ, МЕК(IEC), ANSI/IEEE, NEMA-TR1, BS, AS2374, CSA-C88-M90, JEC-204, СИГРЕ.

Определянето на състоянието на един масло напълнен силов трансформатор и откриването на мястото на повреда или конструктивен дефект е трудна задача поради факта, че той се състои от много компоненти. При такова съчетание от елементи изискващо едновременно, както електрическа така и механична устойчивост, няма възможност само с един единствен метод да се определи цялостното състояние на електрическата машина.

Основна цел при развиването на методи и технически средства за изпитване, диагностика и автоматичен контрол на силови трансформатори е да имаме набор от устройства, системи и методи с чиято помощ да наблюдаваме и очакваме аварията в трансформаторът така, че да могат да се вземат подходящи мерки преди да е настъпило принудително изключване в неподходящ момент, а също така да се определи и оставащият експлоатационен ресурс.

Основният проблем при оценката на остатъчният ресурс на трансформатора се явява липсата на достатъчно информация за състоянието на възлите и динамиката на тяхното състояние. Резултатите от комплексни диагностични изследвания позволяват да се намали неопределеността и да се оцени състоянието на различните възли без да се налага провеждането на скъпоструващ ремонт с изваждане на активната част на трансформатора. Не са изяснени напълно и стандартизирани гранични стойности на диагностичните показатели, по които да се определи степента на изчерпване на експлоатационният ресурс на отделните елементи на трансформатора.

Това са част от факторите, които определят актуалността на темата, целта и задачите на дисертацията.
Цел на дисертационната работа. Да се разработи методика за оценка техническото състояние и определяне на остатъчния ресурс на силови трансформатори в експлоатация.

За постигане целта на дисертационната работа са определени следните основни задачи за изследване и решаване:



  1. Да се разгледат основните показатели и норми за оценка техническото състояние на силовите трансформатори; конструктивните елементи използвани в трансформаторите, в това число и изолацията (твърда и течна); общи принципи за извършване на техническа диагностика на силовия трансформатор; методични аспекти и технологично осигуряване на процеса.

  2. Да се посочат аналитични модели на диагностични показатели за определяне вида и мястото на възникнали и развиващи се дефекти в силови трансформатори.

  3. Да се посочат съвременни системи за непрекъснат контрол на техническото състояние на силови трансформатори.

  4. Въз основа анализ на аварйността на силови трансформатори в експлоатацията: места на възникване на повредите, причината за възникване и типовете повреди, да се извърши изследване и определяне техническото състояние на силови трансформатори в експлоатация.


Практическa приложимост. Разработената технологична схема и метод за оценка техническото състояние са универсални и приложими за маслонапълнени силови трансформатори в експлоатация независимо от приложението им. Методиката позволява да се създаде система за оценка на риска и превенция на тежки аварии в електроенергийната система.
Апробация на работата. Основни части от дисертационния труд са апробирани пред научни сесии с международно участие в МГУ „Св. Иван Рилски” през 2011, 2012 г; международна научна конференция „UNITECH ’12”, гр. Габрово, 16-17 ноември 2012; международна научна конференция в унивеситет „Константин Бранкуши”, гр. Търгу Жиу, Румъния, ноември, 2013 г.
Структура и обем на дисертацията. Дисертацията се състои от пет глави, заключение с приноси, приложения – протоколи от изпитване на трансформатори, становище от лабораторен комплекс трансформатори към Хюндай Хеви Индъстрис – Ко. България, писмо от ЕСО- ЕАД относно техническото състояние на трансформаторите изследвани в дисертацията. Изложена е на 156 страници без приложението с 38 броя таблици и 33 броя фигури, списък на използвана литература, която включва 103 заглавия, от които 41 на кирилица и 62 на латиница.

ІІ.СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИЯТА.
Глава първа. Състояние на проблема. Цел и задачи на дисертацията
В Глава първа са изследвани публикации и доклади в следните основни направления на съвременната енергетика:

1. Аварийност на силовите трансформатори, причини, място на повредата, стойност на причинените загуби в следствие авария на трансформатора;

2. Видове методи и технически средства за оценка състоянието на силови трансформатори;

3. Видове експлоатационон контрол на силовите трансформатори.


Резултатите от изследването в Глава първа са обобщени в следните основни изводи:


  1. От направения преглед по литературни източници се очертава тенденция към увеличаване броя на авариите в силови трансформатори, съответно увеличаване финансовите загуби за собствениците на тези активи.

  2. Методите за оценка състоянието на силови трансформатори трябва да се концентрират върху техническата същност на проблема.

  3. За повечето трансформатори има голяма вероятност за наличие на повече от един дефект в даден момент от време.

  4. Не е възможно използването на един диагностичен показател за обща оценка на състоянието на силови трансформатори поради многообразието възли с характерните за тях дефекти. Значение за вида дефект има и приложението на трансформатора, местните условия на експлоатация.

  5. Въпреки многообразието от стандарти в областта на изпитването на силови трансформатори липсват ясни критерии за комплексна оценка на техническото състоянието на силови трансформатори, в това число: обема от изпитания, диагностичната полезност на изпитанията, приносът им в общата оценка на техническото състояние.

Въз основа на литературния обзор са определени целта и задачите на дисертацията.



Глава втора: Силови трансформатори. Основни показатели и норми да оценка техническото състояние на силови трансформатори
В Глава втора въз основа на общата теория на силовите трансформатори, електроизолационните материали и диагностиката на високоволтово оборудване, са посочени аналитични зависимости, влияещи фактори и диагностични показатели за изследване и анализ на работата на силови трансформатори за различни режими на работа. Изложените теоретични въпроси са основата необходима за разбиране на процесите случващи се в различните възли на електрическата машина по време на експлоатацията.

Свойствата на хартията използвана за изолация, се влошават под въздействието ефектите на топлината, водата и кислорода: хартията е подложена на стареене. Ролята на други фактори, дори този на електрическото поле е от вторично значение в сравнение тези три фактора.

Стареенето на хартията на първо място предизвиква влошаване на механичните свойства, а намаляването диелектричната якост идва като последствие. Докато хартията запазва механичната си якост и не се овъгли и разкъса на парчета, запазва задоволителни електрически характеристики.

Степента на стареенето може де се оцени, отделно от понижаването на якостта на опън, с химично свойство наречено степен на молекулярна полимеризация. Степента на полимеризация на хартията (броя на свързаните целулозни пръстени) е директно свързан с якостта на разкъсване на хартията: колкото по-ниска е степента на полимеризация, толкова по-лесно се разкъсва. Понижаването на степента на полимеризация от 1000 до 1300, характерно за нова „Крафт” хартия, до 150 практически означава пълно разрушаване на изолацията.

Съгласно по рано предложена от Монстингер формула нарастване на температурата с 8 ºС е достатъчно да понижи експлоатационният срок на изолацията наполовина. На практика още по-ниско температурно прегряване, от 6 ºС, се приема при изчисляване на експлоатационния срок на цялата изолация, а същата стойност е взета за основа за международните ръководства отнасящи се за товарния капацитет на силовите трансформатори [5, 12, 22, 60, 78].

Процеса на стареене значително се ускорява в присъствието на вода. Хартията, когато влиза в контакт с въздуха при стайна температура и 100% RH, е способна да абсорбира около 15% вода, при 60% RH абсорбцията на вода е около 8%, а при 20% RH около 4% (стойностите за процентите са тегловни). При 4% влагосъдържание, скоростта на стареене при 130 ºС е двадесет пъти по-висока в сравнение с 0.5% влагосъдържание (цитираното влагосъдържание показва количеството на водата съдържащо се в началото на процеса на стареене, защото в процеса на деполимеризация на хартията също се образува вода. Отношението на образуваните вода, въглероден двуокис и въглероден окис са съответно 70:12:18)[80].

Третият фактор предизвикващ стареене на изолацията е наличието на кислород. Този фактор е по-маловажен от другите два. Съгласно лабораторни експерименти, скоростта на стареене се ускорява приблизително два пъти в присъствието на кислород [80].

Повредата или отклонението от нормалният режим на работа на силов трансформатор може да бъде предизвикано от различни причини: конструктивен недостатък, скрити дефекти от производството, нарушаване на правилата за превоз, технологията на монтажа или правилата за експлоатация, некачествен ремонт. В много от случаите повреждането става не веднага, а след по-дълго или по-кратко въздействие на неблагоприятен фактор [21].

В таблица 2.1 [38] са посочени основните причини за повреда на високоволтово електрообзавеждане.
Таблица 2.1

Вид електрообзавеждане

Елемент от конструкцията

Причина за повреждане

Трансформатори, автотрансформатори и реактори

Изолация

Намотки и магнитопровод



Овлажняване, термично и електрическо разрушаване (вкл. частични разряди); изменение на физико-химичните свойства, насищане с газове и замърсяване на маслото
Динамична неустойчивост при токове на късо съединение, прегрявания, нарушаване на изолацията на елементите (контури на късо съединение)




Устройство за регулиране на напрежението

Прегряване, изместване на контактите, функционални повреди, влошаване характеристиките на маслото, окисляване на контактите

Високоволтови изводи

Изолация

Овлажняване, термично и електрическо разрушаване (вкл. частични разряди); изменение на физико-химичните свойства, насищане с газове и замърсяване на маслото

Надеждността на високоволтовото електрообзавеждане в значителна степен се определя от работоспособността на изолацията. Основният обем диагностика се отнася към контрола на изолационната конструкция. Основните контролирани явления в изолацията и съответните диагностични показатели са посочени в таблица 2.2.
Таблица 2.2

Контролирани явления в изолацията

Контролирано явление

Диагностичен параметър

Изменение на диелектричните характеристики

Ток през изолацията, комплексна проводимост, диелектрични загуби, капацитет

Възникване на частични разряди

Импулс на напрежението на обекта, ток на преходния процес, импулс на налягането

Изменение на разпределението на напреженията

Разлика в потенциалите между елементите, потенциал спрямо земя, интензивност на повърхностните разряди

Изменение на физикохимичните свойства на изолационното масло

Диелектрична якост, диелектрични загуби, прозрачност (цвят), съдържание на механични примеси, пламна температура, съдържание на водоразтворими киселини и основи, киселинно число, газосъдържание, влагосъдържание

Образуване на продукти на разлагане на изолацията

Горимост на газовете в бухолцовото реле, състав на газовете в бухолцовото реле (газовата възглавница), горимост на газовете разтворени в маслото, състав на газовете разтворени в маслото, наличие на фуранови съединения

Разработени са значително количество методи за диагностика ориентирани към откриването на определени дефекти посочени в таблица 2.3. Някои методи се допълват и даже дублират един друг. За по-пълно диагностициране е целесъобразно да се използват всички възможни методи. Така при съвпадане на резултатите, получени с различни методи, съществува възможност за по-точно идентифициране на дефект.


Таблица 2.3

Методи за диагностика

Диагностични методи

Откривани дефекти

Измерване на съпротивлението на изолацията

Силно овлажняване, замърсяване

Измерване на комплексната проводимост, диелектричните загуби (tg δ), капацитет на изолацията, tg δ във функция от честотата и напрежението

Овлажняване, местно разрушаване от разряди, влошаване характеристиките на маслото

Измерване на абсорбционните характеристики на изолацията

Овлажняване


Таблица 2.3 - продължение

Методи за диагностика

Диагностични методи

Откривани дефекти

Измерване съпротивлението на тоководещите части с постоянен ток

Повреда във връзките на тоководещите елементи и превключватели на стъпалните регулатори и изводите на намотките

Измерване на коефициента на трансформация

Късо съединени навивки

Измерване на тока и загубите на празен ход

Нарушения в изолацията на елементи на магнитопровода и къси съединения в намотките

Измерване на напрежението (импеданса) на късо съединение

Деформация на намотките


Измерване честотните характеристики на намотките на трансформатора по импулсен и сканиращ метод

Деформация на намотките, къси съединения, промяна в геометричните размери на трансформатора, промени в намагнитващата система, дефекти в изолацията (при импулсния метод).

Измерване на вибрациите на казана

Разпресоване на намотките

Инфрачервена термовизия

Откриване на локални прегрявания по казана на трансформатора, лоши електрически връзки, прегряване на изолацията на високоволтови изводи

Определяне на физикохимичните свойства на маслото

Овлажняване, стареене, прегрявания, замърсяване, термично разлагане на материалите

Анализ на газовете разтворени в маслото

Термични и електрически разрушения на елементите от конструкцията

Измерване на частичните разряди

Местни дефекти (включвания), изменение разпределението на напреженията по конструкцията, електрическо разрушаване

Въз осонава на изложеното във Глава втора могат да бъдат обобщени в следните изводи:



  1. От изложеното в глава втора се установява, че върху нормалната работа на трансформаторите въздействат редица смущаващи фактори, много често няколко от тях действат едновременно. Това е предпоставка за ускорено съкращаване на експлоатационния ресурс на силовия трансформатор.

  2. Разгледана е теорията на изолацията на силовия трансформатор (твърда и течна), видовете вредни въздействия влошаващи състоянието на изолацията. Посочените процеси и параметри са важни за разбиране процесите на стареене на изолацията и подбор на подходящи диагностични показатели.

  3. Повишаване достоверността на диагнозата на техническото състояние на трансформатора е възможно, използвайки за контрол няколко параметъра, характеризиращи техническото състояние на обекта и привеждането им към еднакви базови условия.

  4. Представени са възможните дефекти и повреди в силовите трансформатори и автотрансформатори, причините за тяхното възникване, посочени са най-често използваните методи за откриване на дефекти. За някои от дефектите има повече от един диагностичен показател, което може да се използва за повишаване точността на диагностиката.


Глава трета. Аналитични модели на диагностични показатели за определяне вида и мястото на възникнали и развиващи се дефекти в силови трансформатори
Както беше разгледано в глава 1 и 2, съществува голямо многообразие от възможни дефекти в силовите трансформатори и допълнителното оборудване към тях. Въпреки многообразието, дефектите могат да се обединят в четири групи, според техния характер и по точно:

  • дефекти в изолацията с електрически характер;

  • дефекти в следствие замърсяване на изолацията;

  • дефекти с термичен характер;

  • дефекти с механичен характер.

За всяка група дефекти съществуват известни в практиката диагностични показатели, насочени към откриването на специфичният проблем. В тази глава ще се разгледат последователно съществуващите съвременни диагностични показатели и съответстващите им аналитични модели.


    1. Диагностични показатели използвани за откриване на дефекти с електрически характер в изолацията




      1. Диелектрични характеристики на изолацията, капацитет, диелектрични загуби, проводимост, изменение на тока протичащ през изолацията

Диелектричните характеристики на изолацията – диелектрична проницаемост и диелектричните загуби – са свързани с явлението поляризация [38]. Електропроводимостта на техническите диелектрици се определя от наличието на свободни йони и се характеризира със специфичното обемно съпротивление ρυ [39]. При прилагане към изолационната конструкция на напрежение през нея протича тока на проводимостта. Състоянието на изолацията се характеризира от големината на този ток или реципрочната му величина – диагностичният признак съпротивление на изолацията.

Диелектричната проницаемост се определя от степента на поляризация на диелектрика и е една от най-важните характеристики на изолацията. За изолационната конструкция вместо диелектричната проницаемост ε е по удобно да се разглежда пропорционалният на нея капацитет между електродите С.

Доколкото при поляризацията се извършва преместване на заряди, за това се изразходва енергията на полето. Някои от процесите на поляризация са съпроводени с разсейване на част от тази енергия в обема на диелектрика, т.е. това са диелектричните загуби. Диелектричните загуби и особено тяхното изменение са диагностичен показател характеризиращ състоянието на диелектрика.

Известни са няколко вида поляризация: електронна, йонна, диполна, междуслойна (миграционна) и ред други. Видовете поляризация се различават по времето за установяване, което често се нарича време за релаксация на диелектрика. Към бързите видове поляризация се отнасят електронната, йонната и диполната, които приключват за много кратко време (от 10-10 до 10-15 s).

Междуслойната поляризация, отнасяща се към бавните видове поляризация, може да има време за релаксация, съизмеримо с периода на промишлената честота и даже значително да го превишава. Междуслойната поляризация е характерна за изолационните конструкции за високо напрежение, в които като правило се използват диелектрици с различни характеристики. При междуслойната поляризация на повърхността на раздела между слоевете разнородни диелектрици се извършва натрупване на свободни заряди, наречени абсорбционни. Преместването на тези заряди създава ток на абсорбцията.

За оценка на връзката между диелектричните загуби на изолацията и нейното състоянието се използва заместващата схема от фиг. 3.1a. За тази схема капацитета Cx и tg δ за променлив ток с честота ω (влиянието на съпротивлението rdc е пренебрегнато) са съответно:



Капацитета и tg δ на изолацията зависят както от абсорбционният ток, така и от времето за релаксация. При промяна на честотата ω или времеконстантата τsp стойността на tg δ преминава през максимум. Обикновено този максимум се намира в областта на свръх ниските честоти.





Фиг. 3.1a Опростена заместваща схема на кондензатор с диелектрик, имащ загуби
Увеличаването степента на овлажняване води до нарастване на Сsp, което предизвиква ръст на tg δ. С нарастване на температурата стойността на τsp намалява, което предизвиква увеличение на tg δ (максимума се измества в областта на промишлената честота). Едновременно растат и загубите от тока на проводимостта, не отчетен от горепосочените привеждания.

Стойността на tg δ дава осреднена обемна характеристика за състоянието на диелектрика, защото активната съставяща на тока, предизвикана от диелектричните загуби в местен дефект, при измерване е включена към общия капацитивен ток на обекта. Като правило, изменението на tg δ позволява да се открие общо влошаване на изолацията. Измерването на tg δ има лоша селективност и трудно открива местни дефекти, т.е. дефекти обхващащи сравнително малка част от обема на диелектрика, а също и съсредоточени дефекти, при това е толкова по-неселективно, колкото по-голям е обема на изолацията.

Измерването на капацитета на изолацията, освен информация за изменение структурата на диелектрика, предизвикващо изменение в процесите на поляризация (абсорбция), позволява откриването на местни груби дефекти (пробив в изолацията). Степента на откриване на дефектите също зависи от съотношението между обемите на проведената и здравата част от изолацията.

За диагностициране е целесъобразно да имаме данни за параметрите на отделните зони (области) обекта. Така се подобрява откриването на дефекта в следствие намаляване обема на контролираната изолацията.

Най голямо приложение е получила оценката за състоянието на изолацията по зони за силови трансформатори, извършвана с цел откриване на участък с повишени загуби. На фиг. 3.4 е посочена заместваща схема на трансформатор, в която капацитетите С1 - С5 са еквивалентни на съществуващите зони изолация.


Фиг. 3.4 Заместващи схеми на главната изолация на трансформатор

а – двунамотъчен трансформатор, б – тринамотъчен трансформатор


      1. Частични разряди в изолацията

Частичен разряд (ЧР) се нарича електрически разряд, ограничен в част от изолационното разстояние между два електрода, намиращи се под различни потенциали. В общият случай този разряд може да става до единия, до другия електрод или в обема на изолацията, без да е свързан с електродите.

Тази общоприета дефиниция съгласно препоръките на МЕК [8, 63], ГОСТ [23] и IEEE [70] включва в себе си пробив на газови включвания в твърда или течна изолация, намиращи се до един от двата електрода или в обема на изолацията, пробиви на тънки слоеве, течен диелектрик в комбинирани изолации, пробив във вътрешността на част от твърд диелектрик и началният стадий на пробив по повърхността на диелектрика.

Ако съществуват частични разряди в диелектричния материал, те могат да бъдат измерени само между изводите на електродите, които го обграждат [15, 42, 47]. На фиг. 3.6 [100] е показана заместващата схема на кондензатор с просто устройство, в което е налично газово включване. Частичният разряд в празнината ще се появи, защото електрическото натоварване в празнината е εr пъти по-голямо това за останалия материал, където εr е относителната диелектричната проницаемост на материала. В следствие геометричната форма на материала, се образуват различните капацитети на материала, както е показано на фиг. 3.6 (а). Силовите линии на полето започващи от електрод A и завършващи в празнината ще оформят един капацитет Cb1, по същия начин ще се оформи и капацитета Cb2 между електрод В и празнината. Сс е капацитета на газовото включване (празнината). По същия начин Са1 и Са2 са капацитетите на здравата част от диелектрика от двете страни на празнината. Фиг. 3.9 (б) представлява въпросния еквивалент фиг. 3.9 (a), където:



Са = Са1 + Са2; Сb = Cb1Cb2(Cb1 + Cb2); Cc e капацитета на празнината. По принцип Са >> Cb >> Cc.



Фиг. 3.6 (a) Диелектричен материал с празнина; (б) Еквивалентна схема
Затварянето на ключа S (в някои схеми е представен с искрище) e еквивалентно на симулиране на частичен разряд в празнината, защото напрежението върху празнината достига нивото на пробивното напрежение. Разряда предизвиква протичане на ток ic(t). Резистора Rc симулира крайната стойност на тока ic(t).

Настъпването на пробив във включването се съпровожда с неутрализирането на известен заряд qc /напрежението се понижава с ΔUc /.

Изменението на заряда qа е

(3.16)

Практически в една реална изолация е невъзможно да се измери ΔUc директно, следователно е невъзможно и количествено определяне на действителният заряд qc. Достъпно за измерване е само напрежението на изводите ua, а следователно и Δua. Това позволява установяване на заряда qа. Съгласно препоръките на МЕК [8, 61], ГОСТ [23] и IEEE [70] този заряд се нарича „привиден” и се използва като критерий за интензивността на частичните разряди.




    1. Диагностични показатели използвани за откриване на дефекти с термичен характер

Дефект с термичен характер се получава, когато температурата на даден елемент от трансформатора превиши допустимите нива за класа на вложената изолация, в следствие, тя започва да деградира и в зависимост от това дали става въпрос за твърд или течен диелектрик, се наблюдават различни развития на процеса. Такива дефекти се получават при: системни претоварвания на трансформатора по мощност, по напрежение, в следствие на влошено състояние на контактните съединения (спойки, контактна система на регулатора на напрежение, изводи от намотките), при образуване на контури на късо съединение в намотките, магнитопровода, заземителната система.

В маслонапълнените силови трансформатори се формират въглеводородни газове. Различните газове се образуват при специфични температури посочени на фиг. 3.7 [93]. Основни етапи при формирането са разлагането на въглеродно-водородни и въглерод-въглеродни връзки. Образуват се активни водородни атоми и въглеводородни фрагменти.

Тези свободни радикали могат да се комбинират един с друг като образуват газове, молекулярен водород, метан, етан и други, или могат да рекомбинират образувайки при това нови кондензирани молекули. Последващият процес на разлагане и пренареждане води до образуването на продукти като етилен и ацетилен, а в крайна фаза на умерено хидрогенизиран въглерод под формата на твърди частици.




Фиг. 3.7 Производство на горими газове във функция от температурата
Тези процеси са зависими от присъствието на отделните въглеводороди, разпределението на енергията и температурата в близост да повредата, времето за което маслото е натоварено температурно и електрически. Тези реакции са стехиометрични, т.е. отношенията между компонентите са идеални и не остават несвързани въглеводороди, следователно специфичното разрушаване въглеводородите на трансформаторното минерално масло и видът на повредата не могат да се предскажат надеждно на базата на скоростта на химичните реакции.


      1. Диагностика на повредите

Ако стойностите на анализа на разтворените газове (АРГ) са над типичните концентрации и/или скорости на нарастване, вероятно има налице активна повреда в трансформатора и могат да се приложат методи за диагностика за идентифициране на повредата.

Главните методи за диагностика са:


  • Методите на IEEE (Дорненбург, Роджърс и метод на ключовите газове – IEEE Std C57.104 [72]);

  • Метод на ключовите газове [72, 96];

  • Кодове на отношения според МЕК (IEC 60599 [11, 68]);

  • Триъгълника на Дювал (IEC 60599 [11, 68, 54, 55]).

Дорненбург, Роджърс и кодовете на МЕК сравняват отношения на газове като CH42, С2Н22Н4 и С2Н42Н6. Методът на ключовите газове се основава на два или три от формираните основни газове. Триъгълника на Дювал се базира на относителните пропорции на три газа (СН4, С2Н4 и С2Н2).

Относителната ефективност на тези методи е обобщена в таблица 3.1 [54]. Един недостатък на методите на газовите отношения (Дорненбург, Роджърс и МЕК) e, че някои резултати от АРГ могат да изпаднат извън закономерностите на отношенията и в следствие не може да се даде диагноза (несигурна диагноза). Това не се случва при метода на триъгълника, защото той представлява затворена система вместо отворена такава.


Таблица 3.1

Сравнение на диагностичните методи за анализ на разтворените газове

Метод

% Несигурна диагноза

% Грешна

диагноза

Общ % неточни диагнози

Ключови газове

0

58

58

Роджърс

33

5

38

Дорненбург

26

3

29

МЕК

15

8

23

Триъгълник на Дювал

0

4

4

      1. Триъгълник на Дювал

Триъгълника на Дювал е разработен за пръв път през 1974 г. Той използва три въглеводородни газа (CH4, С2Н4, С2Н2). Тези три газа съответстват на нарастващи нива на енергия необходима за произвеждане на газове в трансформатор в експлоатация. Метода на триъгълника е показан на фиг. 3.10. В допълнение на 6-те индивидуални зони споменати в табл. 3.2, има и една междинна зона DT, на която са приписани комбинация от електрически и термични повреди в силовия трансформатор.

Газовете С2Н2 и С2Н4 се използват от всички методи за интерпретация, за да представят повреди с висока енергия (например дъги) и повреди с висока температура. Газът Н2 се предпочита в няколко от тези методи за представяне на много ниски енергийни повреди от типа на ЧР, когато той са произвежда в големи количества.



Фиг. 3.10 Метода на Дювал класически триъгълник (№1)
Газът СН4 също така е представителен газ за този тип повреди и в допълнение към Н2 при тези повреди, е по-малко, но все още е в значителна наличност за да бъде оценен количествено. СН4 е избран за метода на триъгълника не само защото идентифицира тези повреди, а също така, защото осигурява по-добра общи диагностични резултати за другите типове повреди, използващи представителен газ Н2.

Високата ефективност на триъгълника с СН4 може да се обясни с факта, че Н2 дифузира много по-бързо, отколкото въглеводородните газове от маслото през уплътненията и даже през заварките. Затова, отношенията на газове използващи Н2 са вероятно повлияни от загубата на този газ, сравнени с тези ползващи само въглеводородни газове, притежаващи много по-малки и съизмерими скорости на дифузия.

Трите страни на триъгълника са изразени в триъгълни координати (X, Y, Z) представляващи относителните пропорции на CH4, C2H4, C2H2, от 0 до 100% за всеки газ.на 100%. Начертаването на X, Y и Z в триъгълника дава винаги само една точка. За да се изобразят резултатите от АРГ в триъгълника, трябва да се вземат концентрациите на трита газа, (CH4) = A, (C2H4) = В, (C2H2) = C, в ppm (милионни части).

Първо се изчислява сумата от трите стойности: (CH4 + C2H4 + C2H2) = S, в ppm (или l/l), след това се изчисляват относителните пропорции на газовете в %: X = % CH4 = 100(A/S), Y = % C2H4 = 100(B/S), Z = %C2H2 = =100(C/S). X, Y и Z задължително се намират в обхвата от 0 до 100 %, а сумата (X+Y+Z) трябва винаги да е равна



Таблица 3.2

Пример за дефектите откривани с АРГ в маслото

Символ

Тип повреда

Пример

PD

Частични разряди

Разряди на студена плазма (корона) в газови включвания, с възможно образуване на восък в хартията

D1

Разряди с ниска енергия

Частични разряди от тип искра, включващи малки дупчици, овъглени пробиви в хартията.

Ниско енергийна дъга включваща овъглена перфорация на повърхностен пълзящ разряд, или образуване на въглеродни частици в маслото.



D2

Разряди с висока енергия

Разряди в хартията или маслото, с преминаване на потока от енергия през тях, предизвикващи обширно разрушаване на хартията или значително образуване на въглеродни частици в маслото, метализация, изключване на електрообзавеждането и газови аларми.

T1

Термична повреда < 300 ºC

Доказана от хартия която е покафеняла (>200 ºC) или е овъглена (>300 ºC)

T2

Термична повреда, 300< T <700 ºC

Овъгляване на хартия, образуване на въглеродни частици в маслото.

T3

Термична повреда >700 ºC

Значително образуване на въглеродни частици в маслото, оцветяване не метала (800 ºC) или заваряване на метали (>1000 ºC)

Границите на зоните в триъгълника са определени по емпиричен път при визуален оглед на голям брой трансформатори по света за последните 60 години. Текущото положение на зоните е показано на фиг. 3.10. Добре документирани и надеждни нови случаи на повреди инспектирани по време на експлоатацията могат да бъдат използвани за потвърждаване или леко изместване на тези граници.



      1. Оценка на остаряването на изолацията по анализ на фурановите съединения разтворени в трансформаторното масло

В следствие на химични реакции в целулозната изолация при температура над 100 °C се образуват въглероден окис, въглероден двуокис, вода, 2-фуралдехид, 5-хидроксиметил-2-фуралдехид, 5-метил-2-фуралдехид, 2-ацетил-фуран и 2-хидроксиметил-фуран (фурфурилов алкохол) [86]. Количеството на някои от тези съединения разтворени в маслото се използва за оценка степента на износване на целулозната изолация. Нива на 2-фуралдехид от 1000 ppb, тегловно, се получават при DP индекс <400, т.е. 50% износване на изолацията [92].

Анализа на фуранови съединения в трансформаторното масло има нарастващо значение при оценката на остатъчния експлоатационен ресурс на силовите трансформатори и е потенциална алтернатива на определянето степента на полимеризация (DP) на хартиени проби. Намерена е определена корелация между стойността на индекса DP на хартия и 2FAL (2-фуралдехид) в маслото от няколко изследователски групи.

Анализа на трансформатори в експлоатация и на ремонтирани трансформатори е в подкрепа на тази корелация до известна степен. Въпреки това, връзката между фурановите съединения в маслото и остатъчния ресурс на трансформатора е много сложна. Съдържанието на фуранови съединения в маслото зависи от работната температура, конструкцията на трансформатора, типа на маслото и хартията [87].

В литературата се срещат следните функции описващи корелацията между нивото на съдържание на 2FAL и степента на полимеризация на хартията (DP) [87]:


  • Според Бъртън

  • Според Вуарчек :

  • Според Чендонг:

  • Според Де Пабло:

където 2FAL e изразена в ppm.

Четирите уравнения са базирани или на статистическа оценка или на математически модели.

Всяко от уравненията може да се използва до ≈ 3 mg/kg 2FAL, но не може да се даде точна корелация само стойност с известна неопределеност. Например стойност 3 mg/kg дава стойност за DP от 300 до 420 в зависимост от уравнението.

Чендонг и Де Пабло могат да се ползват при крайни стойности от 5 mg/kg, но въпреки това отново тук няма точна корелация – може да се изчисли само обхвата на индекса DP.

Оценката на остатъчният ресурс само по наличието на фуранови съединения в маслото може да бъде неточна. Затова е необходимо да се ползва съвместно с анализа на разтворени газове и други химични и електрически методи за оценка износването на изолацията.

Скоростта на образуване на 2FAL може да даде ценна информация за ефектите от внезапни или продължителни прегрявания, както и да служи като инструмент за непрекъснато наблюдение на трансформаторите в експлоатация.




    1. Диагностични показатели използвани за откриване на дефекти от механичен характер

Под дефекти от механичен характер в силовия трансформатор се имат предвид такива дефекти получени в следствие електродинамичното действие на силите получаващи се при протичане на тока на късо съединение през намотките. Освен това механичен дефект може да се получи и при неспазване инструкциите за транспортиране на трансформатора от завода производител до обекта, при преместване от един обект на друг и т.н. Загуба на опресовката на намотките и магнитопровода в следствие действието на външните и вътрешните механични сили води до увеличаване на вибрациите в трансформатора и последващо разрушаване в следствие образуването на контури на късо съединение в частите подложени на въздействието на вибрациите. Загубата на притискащата сила действаща върху намотките и магнитопровода води до увеличаване на амплитудата на преместване на тези елементи при внезапни къси съединения и нормалната работа на трансформатора. Това от своя страна води до все по-значителни деформации в тези елементи и съкращава значително експлоатационния ресурс на трансформатора.




      1. Честотни характеристики на трансформатора

Заместващата схема на трансформатора може да се представи опростено като една RLC верига. За определяне връзката между входната и изходната величина на RLC верига се използва предавателната и функция. Предавателната функция е фундаментална характеристики на една електрическа верига и е един от основните методи за моделиране подобни електрически системи. С нейна помощ могат да бъдат получени, както големината на затихването на сигнала, така и фазовото му изместване.

Предавателната функция на един обект за изследване (фиг. 3.12) [44] се дефинира при условие, че началните условия са нулеви:

(3.18)

където:


V1 – хармоничен сигнал подаден на входа на обекта;

V2 – хармоничен сигнал измерен на изхода;

ω = 2πf.


V1 = A.sin(ωt)



V2 = B.sin (ωt+Ф)


H(jω)
съединител съединител

Фиг. 3.12 Предавателна функция на изпитвания обект
За получаване на предавателната функция се разглежда електрическата схема представена на фиг. 3.13.



Фиг. 3.13 RLC Верига и шунтиращ резистор
При резонансна честота предавателната функция има следния вид [44]:

(3.19)

Тъй като R, L и С параметрите на трансформатора са точно зададени при неговото производството, корените на полиномите ще се появяват на едно и също място на графиката на ЧХ (честотната характеристика)[95] в случай, че няма външно въздействие върху някой от тях, винаги ще има повторяемост на резултатите от измерването независимо от мястото и времето на извършване на оценката на техническото състояние.

На Фиг. 3.15 [44] е представена схемата за заснемане на АЧХ и ФЧХ на силов трансформатор. През трансформатора се пропуска сигнал с ниско напрежение и променяща се честота, като се следи, какво е затихването на този сигнал на изхода. Затихването на сигнала е пропорционално на импеданса на съответната намотка зависещ от капацитетите и индуктивностите и, който пък са тясно свързани с геометричните размери на системата намотка, магнитопровод, казан на трансформатора (Фиг. 3.14 [91]). Промяната в амплитудно честотната и фазочестотната хактеристики (по нататък АЧХ и ФЧХ) е информация и доказателство за настъпили промени в геометричните и електромагнитни параметри на трансформатора. Съществуват два момента от време, в които е желателно да се извърши снемането на ЧХ. В завода производител, по време на заводските изпитания, при което се получава така наречената еталонна характеристика на трансформатора, и на обекта, където ще бъде монтиран трансформатора. Заводските данни се използват като основна характеристика и след това всички следващи измервания се сравняват с нея.

Фиг. 3.14 Физически модел на трансформатора
На фиг. 3.15 с VG е означен подавания от източника сигнал, V1 е измереното еталонно напрежение, V2 е измереното изходящо напрежение, ZS е импеданса на измервателния инструмент, а ZT e импеданса на трансформатора. Той може да бъде представен като последователно и/или паралелно свързани RLC вериги.



Фиг. 3.15 Основна измервателна схема за снемане на честотни характеристики
Разликата между стойностите на V2 (изхода) и V1 (входа) е предизвикана от стойността на ZT. Импедансът ZT съдържа индуктивност, капацитет и активно съпротивление и следователно е честотно зависим. Както се вижда на фигурата ZT съдържа и два импеданса свързани към земя. Тук трансформатора е представен с П-образна заместваща схема, като стойността на импеданса между двете заземителни вериги в рамките на ZT в идеалния случай е равен на нула.

Разликата между V1 и V2, се явява като промяна в амплитудата и фазово изместване. Големината на затихването на изходния сигнал спрямо входния се дава в децибели:



(3.20)

Фазовото изместване може да се запише като:



(3.21)

Обикновено се измерват по 200 точки за декада (логаритмично) в честотен диапазон от 20 Hz до 2 MHz. След това се изчертават две криви във функция от честотата, една за големината на затихването и една за фазовото изместване. Повечето трансформатори изпадат в резонанс в този честотен диапазон.

На фиг. 3.16 е представена ЧХ на реален силов трансформатор получени в резултат на проведено измерване. Графиката може да бъде разделена на няколко честотни ленти, като всяка от тях дава информация за различни елементи на трансформатора. Честотните ленти са представени в таблица 3.3 [81].


Фиг. 3.16 Честотни ленти в АЧХ на трансформатор
Таблица 3.3

Честотни ленти и елементи от трансформатора, който те характеризират


Честотна лента

Честота

Елемент от трансформатора

Чувствителност към повреда

1

< 2 kHz

Ядро на магнито-провода, индукти-вност на намотката

Деформация на ядрото на магнитопровода, отворена верига, късо съединени навивки и остатъчно намагнитване

2

От 2 kHz до 20 kHz

Притегателна система, паралелни импеданси

Изместване на притегателната система и/или намотките

3

От 20 kHz до 400 kHz

Основни намотки

Деформация на основни или регулационни намотки

4

От 400 kHz до ~ 1 MHz

Основни намотки, регулационни намотки, вътрешни проводници

Изместване на основна или регулационна намотка, промяна на заземителните импеданси

Откриването на дефекти с ЧХ, когато са с близки по стойности криви е много трудна задача. За това в практиката се използва методът корелационно регресионен анализ [17, 81]. Разглеждат се две групи от числови стойности на ЧХ: първата е еталонна, определена след окончателното завършване на всички операции по производството и изпитването на един нов трансформатор, и втора група, на ЧХ заснета в момента на провеждането на дефектографията за откриването на възникнали дефекти в трансформатора.

Коефициентът на корелация, се изчислява по формула (3.22):

(3.22)

където Xi и Yi са числовите стойности определени от кривите на ЧХ, които ще сравняваме, а  и  са средните им стойности.

В описаният метод за корелационен анализ в стандарт DL/T 911-2004 [52], се определя коефициентът на корелация RXY за честотните области:1 kHz ÷ 100 kHz; 100 kHz ÷ 600 kHz; 600 kHz ÷ 1 MHz. За всеки честотен обхват, въз основа на коефициента, се присвоява „степен на деформация на намотката”, след което се прави заключение в зависимост от получената стойност съгласно таблица 3.4.

Подробно описание на метода за определяне на честотните характеристики на силови трансформатори, измервателната апаратура, схемите на свързване и др. са посочени в стандарта на МЕК 60076-18 [4, 61].


Таблица 3.4

Отношение между коефициентите на корелация и степента на деформация на намотката

Степен на деформация на намотката

Коефициент на корелация RXY

Значителна деформация

RLF < 0.6

Явна деформация

1.0>RLF≥0.6 или RMF< 0.6

Незначителна деформация

2.0>RLF≥1.0 или 0.6≤RMF<1.0

Изправна намотка

RLF>2.0, RMF≥1.0 и RHF≥0.6

RLF е коефициента на корелация когато кривата се намира в долният честотен обхват (1 kHz ÷ 100 kHz);

RMF е коефициента на корелация когато кривата се намира в средният честотен обхват (100 kHz ÷ 600 kHz);

RMF е коефициента на корелация когато кривата се намира в горният честотен обхват (100 kHz ÷ 600 kHz).



Изводи към трета глава:


  1. Разгледани са аналитични модели на актуални диагностични показатели за определяне вида на възникнали и развиващи се дефекти в силови трансформатори в експлоатация. Аналитичните модели на диагностичните показатели са разделени на групи според вида и характера на повредите, които характеризират най-добре.

  2. Посочените в трета глава диагностични показатели имат голяма научноприложна стойност в областта на диагностицирането на развиващи се и възникнали повреди в трансформатора.

  3. Необходимо да се състави методика за определяне техническото състояние и остатъчния ресурс на силови трансформатори, съдържаща различни по вид диагностични показатели, тъй като всеки от тях по отделно дава само част от необходимата информация за състоянието на електрическата машина.

  4. Необходимо е да се зададат конкретни гранични стойности на диагностичните показатели определящи състоянието на силовия трансформатор разделящи състоянието му на няколко нива, от изправно до пълна неработоспособност.

  5. Направено е проучване за съществуващи съвременни мониторингови системи за силови трансформатори. Посочени са функционалните възможности и контролирани диагностични показатели.



Глава четвърта. Методика за оценка състоянието и определяне на остатъчния ресурс на силови трансформатори в експлоатация
Тази част засяга специфични диагностични методи и инструменти използвани за оценка състоянието на маслонапълнени трансформатори. Тези процедури често се извършват преди и след редовната профилактика извършвана на определени интервали от време за поддържане на трансформатора в работоспособно състояние. Диагностиката на трансформатори изисква специализирано оборудване и обучение. Тези експертни знания не може да се очаква да се подържат във всеки офис. В някои случай е необходимо да се потърси специалист по диагностика, който има най-новото оборудване и опит с последните новости в тази специфична област.

Съществуват две основни методологии за наблюдение на трансформатори: методика базирана на състоянието на трансформатора и методика базирана на функцията. В първата трансформатора се разглежда като едно цяло. Във втората се разглежда като съвкупност от функционални подсистеми, които съдържат определени компоненти. Понякога трансформатора може да продължи да функционира в аварийно състояние, например при прегряване или отделяне на газове, но веднага ще излезе от строя при получаване на късо съединение или отворена верига. Устойчивостта на трансформатора намалява като естествен процес по време на неговата експлоатация.

Основната разлика между традиционната методология и функционално базираната е, че при традиционната методика имаме формулата: специфични тестове интерпретиране на резултатите; при функционално базираната методика формулата е: вероятна неизправност – съответстващи изпитания и тестове, който да характеризират неизправното състояние.

Експлоатацията на трансформатора може да продължи докато се запазва неговата работоспособност, която може да се определи от 5 ключови реквизита:



  • Изправност и възможности за пренос на енергия в магнитната верига;

  • Изправност на тоководещите вериги;

  • Диелектрична устойчивост;

  • Механична устойчивост;

  • Използваемост на допълнителното оборудване.

От гледна точка на ефикасност наблюдаването на определени параметри под напрежение/товар се предпочита поради възможността за своевременно откриване на потенциален проблем, от гледна точка на ефективността, наличните възможности за диагностика на трансформатора в изключено от мрежата състояние са повече като обем и могат да определят с по-добра точност състоянието на определен елемент.

  1. Каталог: docs -> N Juri
    N Juri -> Конкурс за академична длъжност "Доцент" по професионално направление 8 „Проучване, добив и обработка на полезните изкопаеми", специалност „Обогатяване на полезни изкопаеми"
    N Juri -> Конкурс за професор по Професионално направление Науки за земята
    N Juri -> Конкурс за професор по научно направление 8 „проучване, добив и обработка на полезни изкопаеми" специалност „минно строителство"
    N Juri -> И. Паздеров І. Дисертация и публикации, които са части от дисертационния труд
    N Juri -> 19. Резюмета на трудовете, с които кандидатът участва 7а. Научни публикации до получаване на онс „Доктор“ (научна степен „Кандидат на техническите науки“), 1978-1988 г
    N Juri -> Конкурса за получаване на научното звание "професор" по Професионално направление „Проучване, добив и обработка на полезни изкопаеми"
    N Juri -> Конкурс за академичната длъжност „професор" по професионално направление Проучване, добив и обработка на полезни изкопаеми, специалност "Техника и технология на взривните работи" за нуждите на катедра Подземно строителство
    N Juri -> С п и с ъ к на научните и научно-приложните трудове на доц д-р Венелин Желев Желев
    N Juri -> Конкурс за академичната длъжност „професор" по професионално направление Икономика, специалност „Икономика и управление по отрасли"
    N Juri -> Моделиране показатели на находища на подземни богатства и свързани с тях обекти чрез компютърни системи


    Сподели с приятели:
  1   2   3   4




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница