Методы диагностики силового трансформатора

nir.docx

Общие вопросы диагностики силовых трансформаторов ..4
Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле 6
Тепловизионное обследование ..8
Вибродиагностика .. 12
Список использованных источников ..16
В энергетической отрасли России сложилась ситуация когда 70% всего парка силовых трансформаторов выработали свой ресурс. Однако опыт эксплуатации показывает что примерно 70-80% всех отказов связаны не с выработкой ресурса а результате образования и развития различных дефектов причём подавляющее их большинство связано с неудовлетворительным состоянием изоляции – бумажной или масляной. Темпы демонтажа и списания производственных основных фондов в 35 раза отстают от нормативных темпов списания электрооборудования из-за износа. Финансирование воспроизводства и обновления электрооборудования отстаёт от темпов его старения. Как следствие - повышаются риски аварийных ситуаций для обслуживающего персонала. Надёжность работы силовых электротехнических комплексов во многом определяется работой элементов составляющих их и в первую очередь силовых трансформаторов обеспечивающих согласование комплекса с системой и преобразование ряда параметров электроэнергии в требуемые величины для дальнейшего ее использования причем до 70% парка высоковольтных трансформаторов являются маслонаполненными. Высокая степень износа трансформаторов имеет потенциальную опасность как для обслуживающего персонала так и для потребителей.
Анализ представленных данных показывает что основная часть трансформаторов выработала нормативный срок службы а в течение ближайших 5-10 лет этот показатель увеличится ещё на 25%. Характер повреждаемости трансформаторов по годам эксплуатации показывает что основными причинами их отказов являются витковые замыкания износ и старение обмоток плохое состояние трансформаторного масла дефекты монтажа заводской брак. Так как в ближайшее время не ожидается существенного обновления парка трансформаторов в связи с чем становится актуальной проблема продления их эксплуатации при существующих нагрузках. В этих условиях актуальность диагностирования технического состояния электрооборудования обусловлена следующими причинами:
– необходимостью продления срока эксплуатации сверх нормативного вплоть до выработки реального заложенного изготовителем ресурса;
– необходимостью предотвращения аварий энергоблоков собственных электростанций убытки от которых исчисляются миллионами рублей;
– общемировой тенденцией перехода от системы планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по состоянию.
Правильная оценка возможности дальнейшей эксплуатации оборудования на основании проведенной диагностики позволяет избежать неоправданных финансовых затрат а также потерь связанных с аварийным отключением электроснабжения
Методы контроля технического состояния объектов силовой энергетики делятся на контроль по предельным значениям параметров определяемым ГТГЭ инструкциями нормативами и контроль по текущим значениям параметров на основании которого выполняются диагностика технического состояния прогнозирование остаточного ресурса определение степени опасности дефектов и выработка экспертного заключения. Контроль по предельным значениям параметров не позволяет оценить качество текущего технического состояния объектов а также динамику развития дефектов но чаще всего используется в системах защиты и мониторинга. Динамику процесса развития дефектов и качество технического состояния можно определить только диагностическими методами.
Учитывая большое количество объектов энергетики с исчерпанным нормативным ресурсом применение методов контроля по предельным значениям часто становится недопустимым. Диагностика - это разовое или периодическое обследование технического состояния объектов энергетики (тренд). Известно что развитие дефектов до факта аварии в электрооборудовании во времени происходит достаточно медленно. Этот период может составлять от нескольких месяцев до нескольких лет. Поэтому в большинстве случаев необходимости в мониторинге нет.
Диагностика выполняется неразрушающими методами контроля и позволяет оценить техническое состояние объектов по совокупности параметров определить динамику развитая процессов остаточный ресурс работы с имеющимися дефектами. Тренд на основании результатов диагностики исключает аварийные ситуации в период между диагностическими исследованиями.
Общие вопросы диагностики силовых трансформаторов
При разработке методик расчета и исследований объектов силовой энергетики традиционное внимание уделяется анализу процессов в активных материалах ферромагнитных и проводящих элементах конструкций. Значительно более редкими являются исследования изоляции. Вместе с тем при эксплуатации объектов силовой электроэнергетики наибольшее число проблем возникает именно в изоляционных элементах конструкций а не в конструкциях включающих активные материалы. Выделение изоляции из числа активных материалов является в известной степени условным при допущении что свойства изоляции являются неизменными и не оказывают влияния на процессы передачи или преобразования электрической энергии.
В конструкциях включающих активные материалы проблемы возникают как правило при аномальных воздействиях. Это нарушение прессовки магнитопроводов и креплений элементов обмоток при возникающих внезапных коротких замыканиях изменение геометрии обмоток а также отклонения параметров конструкций при выполняемых ремонтах. В изоляции процессы изменения свойств без учета влияния электромагнитных полей во времени идут достаточно медленно месяцы и годы. И только на завершающем этапе накануне пробоя скорость изменения физических свойств изоляции резко возрастает. Задача диагностики изоляции заключается в определении текущего ее технического состояния а также степени опасности дефектов времени принятия решений закономерностей процессов с целью прогнозирования остаточного ресурса эксплуатации.
Более сложными объектами электроэнергетики для диагностики по сравнению со статическими объектами кабельными линиями и воздушными линиями электропередач являются силовые трансформаторы. В них наряду с диагностикой состояния изоляции необходимы исследования по целому ряду электромеханических характеристик. При этом возникают проблемы по оценке степени опасности того или иного дефекта по причине многофакторности задачи.
Результаты исследований НИЦ «ЗТЗ-Сервис» показывают что наибольшее число проблем в силовых трансформаторах связано с нарушениями в работе систем охлаждения вводов и нарушением уплотнений - около 40 %.
Распрессовка обмоток и магнитопроводов составляет порядка 10 % столько же - нарушение характеристик масла. Вместе с тем опыт исследований показывает что более 70 % дефектов может быть выявлено без отключения трансформаторов.
Учитывая большое число параметров по которым оценивается техническое состояние силового трансформатора определение целевой функции ее анализ являются чрезвычайно сложной задачей. В настоящее время кроме анализа трансформаторного масла (включая анализ на продукты распада твердой изоляции) могут выполнятся работы по тепловизионному обследованию узлов трансформатора вибродиагностике с целью определения состояния магнитопровода и обмоток; измерению частотных разрядов электрическим методом и их локализации в пространстве акустическим методом. Все измерения и сбор данных могут производятся на работающем трансформаторе.
На основании полученных результатов делается заключение о необходимости измерений на отключенном трансформаторе и в крайнем случае разборке трансформатора для визуального осмотра и измерений. Такая технология диагностики позволяет существенно снизить затраты на производство работ обоснованно распределить ресурсы на техническое обслуживание реализовать систему обслуживания по действительному техническому состоянию. В настоящее время все работы выполняются как правило на основании утвержденных на предприятиях графиков планово-предупредительных работ методик типовых испытаний и потому учитывая большое количество трансформаторов с исчерпанным ресурсом эксплуатации являются малоэффективными и затратными.
Все дефекты возникающие в трансформаторе носят случайный характер поэтому для определения целевой функции (например по маслу) необходимо иметь большое число статистических данных. Для объектов энергетики такого типа целевая функция может быть многоуровневой:
где Q1 Q2 ···» Qn - целевые функции по отдельным физическим явлениям или элементам конструкций например по маслу частичным разрядам вибрационным параметрам температуре и т. п.
Описанный подход в анализе результатов диагностики позволит максимально автоматизировать выработку заключений по техническому состоянию объектов энергетики и в основном исключить влияние человеческого фактора. Для формализации методов диагностики с целью разработки технологических инструкций и стандартов критериев оценки технического состояния и остаточного ресурса необходим достаточный объем статистических данных. На основании полученных результатов их анализа разрабатываются алгоритмы и программное обеспечение для автоматизации контроля технического состояния объектов.
Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле.
Хроматографический анализ газов растворенных в масле позволяет выявить дефекты трансформатора на ранней стадии их развития предполагаемый характер дефекта и степень имеющегося повреждения. Состояние трансформатора оценивается сопоставлением полученных при анализе количественных данных с граничными значениями концентрации газов и по скорости роста концентрации газов в масле. Этот анализ для трансформаторов напряжением 110 кВ и выше должен осуществляться не реже 1 раза в 6 месяцев.
Основными газами характеризующими определенные виды дефектов в трансформаторе являются: водород Н2 ацетилен С2Н2 этан С2Н6 метан СН4 этилен С2Н4 окись СО и двуокись СО2 углерода.
Водород характеризует дефекты электрического характера (частичные искровые и дуговые разряды в масле); ацетилен - перегрев активных элементов; этан - термический нагрев масла и твердой изоляции обмоток в диапазоне температур до 300°С; этилен - высокотемпературный нагрев масла и твердой изоляции обмоток выше 300°С; окись и двуокись углерода - перегрев и разряды в твердой изоляции обмоток.
С помощью анализа количества и соотношения этих газов в трансформаторном масле можно обнаружить следующие дефекты в трансформаторе.
а. Перегревы токоведущих частей и элементов конструкции магнитопровода.
б. Дефекты твердой изоляции. Эти дефекты могут быть вызваны перегревом изоляции от токоведущих частей и эле
в. Электрические разряды в масле. Это частичные искровые и дуговые разряды.
Тепловизионное обследование
Тепловизионное диагностирование силовых трансформаторов и автотрансформаторов является довольно сложной процедурой так как при образовании локальных дефектов в трансформаторах они «заглушаются» естественными тепловыми потоками от магнитопровода и обмоток. К тому же функционирование охлаждающих устройств которое способствует ускоренной циркуляции масла сглаживает распределение температур в месте дефекта. При анализе результатов компьютерной диагностики необходимо учитывать конструктивные особенности трансформаторов тип используемой системы охлаждения обмоток и магнитопровода условия и продолжительность эксплуатации технологию изготовления и множество других факторов. Кроме того на погрешность измерения влияют массивные металлические части трансформаторов в том числе бак прессующие кольца экраны шпильки и т.п. в которых тепло выделяется за счёт добавочных потерь от вихревых токов наводимых полями рассеяния [27].
С помощью тепловизионной техники в силовых трансформаторах можно выявить следующие дефекты:
- витковое замыкание в обмотках интегрированных трансформаторов тока;
- неисправности контактной системы регулирования под напряжением (РПН);
- возникновение магнитных полей рассеяния в трансформаторе за счёт нарушения изоляции отдельных компонентов магнитопровода (консоли шпильки и т.п.);
- дефекты в системе охлаждения трансформатора (маслонасосы фильтры вентиляторы и т.п.) и оценка её эффективности;
- изменение внутренней циркуляции масла в баке трансформатора (образование застойных зон) в результате шламообразования конструктивных просчётов разбухания или смещения изоляции обмоток (характерно для трансформаторов с большим сроком эксплуатации);
- нагревы внутренних контактных соединений обмоток низкого напряжения (НИ) с выводами трансформатора;
- обрывы шинок заземления;
- нагревы на аппаратных зажимах высоковольтных вводов;
- неисправность обогрева приводов РПН и т.п.
Тепловизор или его сканер должны устанавливаться на штативе по возможности как можно ближе к трансформатору на оси средней фазы при использовании объектива 7-12°. К тому же тепловизор должен обеспечивать как аудио- так и видеозапись.
После настройки постоянного температурного режима записи тепловизора ведётся покадровая регистрация термоизображений начиная с верхней част крайней фазы (например «А») по направлению к фазе «С» с наложением кадров друг на друга около 10 % размера.
Достигнув поверхности бака фазы «С» объектив сканера опускается ниже и далее покадровая съёмка продолжается в противоположном направлении и гаким образом процесс съёмки ведётся пока не будет записана вся поверхность включая расположенные под его днищем маслонасосы маслопроводы и другие узлы. Термографической сьёмке подвергается вся доступная для этого поверхность бака по периметру (Рисунок 1.)
Рисунок 1. – Методика термографической съемки.
Тепловизор (2) во всех точках съёмки должен находится на одинаковом расстоянии от трансформатора (1). Необходимо обеспечить как минимум 4 точки съемки максимальное же значение количества точек съемки зависит от типа системы охлаждения и его расположения. Например при использовании выносной системы охлаждения (3) количество точек съёмки увеличивается до 6.
Далее осуществляется склеивание результатов съёмки в единый развернутый «тепловой» план. Участки плана с повышенными температурами нагрева сопоставляются с технической документацией на трансформатор которая характеризует конструктивное расположение отводов обмоток катушек зон циркуляции масла магнитопровода и его элементов и т.п. При этом фиксируется работа систем охлаждения оценивается зона циркуляции масла создаваемая каждой из них. Следует обращать внимание на образование аномальных тепловых зон на поверхности бака трансформатора из-за смещения потоков масла. На рисунках 2. и 3. изображены примеры тепловизионной съемки трансформатора тока.
Рис.2. - Тепловизионное обследование: одна вторичная обмотка не была заземлена.
Рис. 3. - Тепловизионное обследование после устранения неисправности: норма.
Вибрация – механические колебания контролируемой точки агрегата относительно среднего нейтрального положения. Вибрация – один из наиболее информативных и обобщенных параметров который может быть применен для "безразборной" оценки текущего технического состояния оборудования для диагностики причин повышенной вибрации.
По мере развития неисправностей в машине происходит изменение динамических процессов происходят качественные и количественные изменения сил воздействующих на детали машин. В результате изменяется как сам уровень механических колебаний так и их форма. С физической точки зрения вибрация на поверхности бака мощного трансформатора качественно и количественно хорошо коррелируется с состоянием прессовки обмотки и магнитопровода. Изменение степени прессовки в процессе эксплуатации приводит к изменению общей вибрационной картины усилению вибрации изменению ее частоты появлению модулированных колебаний. С данными изменениями довольно часто сталкиваются работники эксплуатационных служб которые выполняют осмотры работающих трансформаторов.
На практике достаточно часто техническое состояние активной части трансформатора контролируется следующими вибрационными характеристиками: виброускорение виброскорость и виброперемещение. Для количественного описания вибросигналов наиболее широко используются виброперемещение и виброскорость.
Для измерения вибрации используется переносной виброанализатор в режиме измерения виброускорений виброскоростей или среднеквадратичных значений виброперемещений.
При обследовании датчик последовательно устанавливается в каждом секторе и снимаются показания прибора. Результаты вибрационного обследования сводятся в таблицу.
На Рисунке 4. в качестве примера приведены результаты вибрационного обследования силового трансформатора.
Рисунок 4. – Эпюра среднеквадратичных значений виброперемещений поверхности бака.
Для трансформаторов не существует нормируемых значений по вибрации. Однако существует опыт накопленный некоторыми организациями который можно использовать при выдаче результатов вибрационного обследования. Так по опыту НИЦ "ЗТЗ-Сервис" нормально работающий трансформатор характеризуется следующими значениями вибрационных параметров:
ускорение – ниже 10 мс2;
виброскорость – ниже 10 ммс;
виброперемещение – 100 мкм.
Данные ряда организаций показывают что уровень виброскорости ниже 6 10 ммс может быть использован как некий барометр отсутствия ослабления прессовки обмоток и магнитопровода.
Регулярное проведение диагностирования силовых трансформаторов позволяет обнаружить на раннем этапе возникновение неполадок более эффективно планировать проведение ремонтных работ и как следствие увеличить срок службы дорогостоящих силовых трансформаторов. Наибольшая эффективность диагностирования будет достигаться в случае комбинирования рассмотренных методов диагностики.
Недостатком диагностики является в основном отсутствие утвержденных общероссийских нормативных документов. Сама по себе диагностика является новым для России научно-техническим направлением и потому находится в стадии развития. Несомненно как инновационное направление диагностика - это будущее контроля технического состояния объектов электроэнергетики.
В результате проведенной научно-исследовательской работы были рассмотрены три наиболее распространенных метода оценки технического состояния силовых трансформаторов. Наибольшая эффективность будет достигаться в случае комбинирования рассмотренных методов.
Регулярное проведение диагностирования силовых трансформаторов позволяет обнаружить на раннем этапе возникновение неполадок более эффективно планировать проведение ремонтных работ и как следствие увеличить срок службы дорогостоящих силовых трансформаторов.
Список использованных источников
Хренников А. Ю. Шлегель О. А. Запорожец М. И. Диагностика повреждений силовых трансформаторов находящихся в эксплуатации на ТЭЦ Волжского автозавода. – Электрические станции 1994 № 2.
Хренников А. Ю. Шлегель О. А. Диагностика повреждений и методика обработки результатов измерений силовых трансформаторов при динамических испытаниях и в эксплуатации. – Электротехника 1997 № 2.