Определяне на остатъчния ресурс на изолацията на силови трансформатори

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2013

Определяне на остатъчния ресурс на изолацията на силови трансформаториОпределяне на остатъчния ресурс на изолацията на силови трансформаториОпределяне на остатъчния ресурс на изолацията на силови трансформатори

Александър Владимиров

В резултат на продължителната експлоатация на силовите маслонапълнени трансформатори настъпва влошаване на електрическите характеристики на изолацията, обикновено наричано "стареене". Стареенето на изолацията в маслените трансформатори се определя от механичната якост на изолацията на проводниците и зависи основно от три фактора:
• температурата на проводника;
• съдържането на влага в изолацията на проводника;
• количеството кислород, разтворен в маслото.

Освен тези причини са възможни и механични разрушения и повреди, замърсявания на изолацията и други.
Влакнестата изолация, дори напълно загубила своята еластичност, но без механични повреди, запазва достатъчно висока електрическа якост. Лишена от еластичност, сухата и крехка изолация може да се пропука под въздействието на вибрациите и динамичните усилия, възникващи в трансформаторите по време на тяхната нормална работа.

По тази причина е невъзможно да се съди за степента на износване на изолацията само по електрическата й якост. Мярка за стареенето на изолацията може да се търси само в загубата на механичната й якост.
За да се намали нуждата от реинвестиране и скъпоструваща поддръжка, както и за да се направят рационални планове за бъдещата експлоатация, е необходимо да се разбере и определи количествено кинетиката на стареенето и начините за неговото контролиране.

При използване на модерните системи за предпазване на маслото влиянията на влагата и кислорода могат да бъдат намалени, оставяйки температурата на изолацията като параметър, който трябва да бъде контролиран. Тъй като в повечето електрически машини разпределението на температурата не е равномерно, тази част, която работи при най-високи температури, ще претърпи по-сериозно влошаване.

Поради тази причина при изследване на стареенето на изолацията е нормално да се имат предвид ефектите на стареене, предизвикани от най-високата температура (най-горещата точка). Поради факта, че много фактори влияят върху кумулативния ефект на температурата във функция от времето, предизвикващ разрушаване на изолацията, не е възможно да се предскаже с голяма точност полезният живот на изолацията, дори и при постоянни или контролирани условия.

Още по-малко това е възможно при изменящи се в широки граници условия на експлоатация. Стандарти като IEC 60076-7, IEEE C57.91 и ГОСТ 14209-97 предлагат математични модели за оценка на термичното износване на изолацията.

Физико-химични явления, протичащи в хартиената изолация вследствие на температурни въздействия
При производството на силови маслонапълнени трансформатори се използва т. нар. Крафт и термично подсилена хартия, импрегнирана с нафтеново трансформаторно масло. Крафт хартията (сулфатна хартия) се състои от целулоза, хемицелулоза и тиолигнин. Целулозата е изградена от линейни полимерни вериги на единични циклични молекули b-D-глюкопираносил.

Броят на тези молекули в една верига се нарича степен на полимеризация (отбелязвана в англоезичната литература с DP). Целулозните вериги се свързват едновременно в кристална и аморфна форма, за да формират микрофибрили, които след това оформят фибрили и накрая фибри (влакна). По-голямата част от механичната якост на хартията зависи от съдържането на фибрили и фибри, докато хемицелулозата и остатъчният лигнин представляват аморфна, лепкава субстанция, която служи за циментиране на влакната.

Процесът на стареене е процес на деполимеризация, причинен от киселинна хидролиза, пиролиза и окисление. Общоприет факт е, че високата киселинност ускорява процесите на стареене. Когато междумолекулните връзки в целулозните вериги се разкъсват, стойността на полимеризация намалява и механичната якост се понижава. Често броят на разкъсванията на веригите (h);

h = DPнов/DPстар - 1, се използва за определяне на стареенето. Тук DPнов и DPстар са съответно стойностите на индекса на полимеризация преди и след определен период на стареене. Когато е нова, хартията притежава DP около 1200. След преминаване на фабрично сушене, хартията в трансформатора ще има DP около 1000 и водно съдържание около 0,5%.

Общоприето е, че когато DP индексът спадне до около 200, якостта на опън на хартията спада с 20% от първоначалната си стойност. Това състояние може да се определи като напълно изразходван ресурс на изолацията. За да се забави стараенето, е възможно хартията да се направи термоустойчива чрез различни добавки.

Вследствие на химични реакции 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). Количеството на някои от тези съединения, разтворени в маслото, се използва за оценка степента на износване на изолацията. Нива на 2-фуралдехид от 1000 ppb, тегловно, се получават при DP индекс <400, т. е. 50% износване на изолацията.

Отношението на газовете C02/CO < 7 е индикация за прекомерно износване на изолацията с нарастване на температурата произвежданият въглероден оксид нараства и оттам отношението на газовете намалява.

Методи за измерване и определяне на най-горещата точка на намотката в процеса на експлоатация
Максималната температура, възникваща в която и да е част на изолационната система на намотката, се нарича температура на най-горещата точка (Н.Г.Т.). Изследвания показват, че температурата в намотката може да бъде с 5-15 К по-висока от тази на разбърканото масло под капака на трансформатора (горния слой масло). Действителната температурна разлика между проводника и маслото се предполага, че е по-висока с фактора на най-горещата точка  H.

Типично разпределение на температурата е показано на фиг. 1, като трябва да се има предвид, че тази диаграма е опростяване на по-сложно разпределение на температурите. Опростяванията, които се правят, са следните:
• Температурата на намотките нараства линейно по височина от дъното към капака независимо от режима на охлаждане.
• Прегряването на проводника спрямо маслото, в която и да е точка по вертикала, нараства линейно, паралелно на прегряването на маслото, с постоянна разлика g, наречена градиент (g e разликата между средната температура на намотката, определена по метода на съпротивлението и средната температура на маслото).
• Прегряването на Н.Г.Т. е по-високо от прегряването на проводника в горната част на намотката, както е показано на фиг. 1, поради добавка, която трябва да се направи от нарастването на загубите, предизвикани от разсеяния магнитен поток.

За да се вземат предвид тези нелинейности, разликата между температурите на Н.Г.Т. и маслото се приравняват на Hg. Факторът на Н.Г.Т. може да варира между 1.1 и 2.1 в зависимост от размера на трансформатора, импеданса на късо съединение и конструкцията на намотката.

За да се изчисли Н.Г.Т. при продължителен, цикличен и други режими, се използват различни източници на температурни характеристики:
• Резултати от специално проведено изпитване на прегряване, включващо директно измерване на Н.Г.Т. и горния слой масло в намотката (при липса на такова измерване факторът H може да се предостави само от производителя).
• Резултати от типово изпитване на прегряване.
• Предполагаеми прегрявания при номинален ток.

При охлаждане тип ON максималната температура на Н.Г.Т. в установен режим, qh, при какъвто и да е товар K, е равна на сумата от околната температура, прегряването на горния слой масло и градиента между Н.Г.Т. и горното масло:

qh = qa + Dqor ((1+RK2)/(1+R))x + HgrKy,

където Dqor е прегряването на върха на намотката при товар K=1 (текущ ток към номинален ток), R е отношение на загубите в режим на късо съединение към загубите в режим на празен ход, Hgr е градиентът на Н.Г.Т. спрямо горния слой масло при K=1.

При охлаждане тип OF изчислителният метод се базира на температурите на долния и средния слой масло. Максималната температура на Н.Г.Т. в установен режим qh при какъвто и да е товар K е равна на сумата от околната температура, прегряването на долния слой масло и разликата между Н.Г.Т. и горния слой масло в намотката:

qh = qa + Dqbr ((1+RK2)/(1+R))x + 2(Dqimr - Dqbr)Ky + HgrKy

При променливи натоварвания Н.Г.Т. и температурата на горния слой масло не могат да скачат моментално между съответстващите стойности за установения режим. Смята се, че времеконстантата на Н.Г.Т. е много малка, от порядъка на минути (типично 5-6 минути). Според препоръките на МЕК, има два пътя за пресмятане на Н.Г.Т. като функция на времето за променливи околни температури и променливи натоварвания по ток. Това са методът на експоненциалните уравнения и методът на диференциалните уравнения.

Тези методи използват измерената температура на горния слой масло, за да предскажат температурата на намотките. Също така се използват и при манометричните термометри с допълнително подгряване от товарния ток. Въпреки че дават добра точност, те обикновено определят по-висока от реалната температура. Изчислителните методи могат да бъдат доста трудоемки, като точността на предсказването на температурата може да варира в широк диапазон в зависимост от конструкцията на трансформатора. Поради тази причина е въведено директното измерване на температурите на намотките в трансформатора.

Модерните методи за измерване температурите на части от трансформатора се базират на фиброоптични датчици. Те, от своя страна, се изработват по две технологии:
• Термочувствителна фосфоресцентна керамика - флуорооптична термометрия;
• Монокристал от галиев арсенид (GaAs) - спектрофотометрична техника.

Първият тип сензори работят на принципа на електронно измерване промяната във времето за фосфоресценция на керамична пластинка, осветявана на определени интервали от време от червен светодиод. Времето на послесветене е пропорционално на температурата (фиг. 2а). Вторият тип сензори работят на принципа на промяна в светлинния спектър, поглъщан от специално обработена пластинка от GaAs (фиг. 2б).

Пластинката се облъчва от източник на бяла светлина. Тук точността на измерване е по-висока, но източникът на светлина е лампа с нажежаема жичка, имаща малък експлоатационен ресурс. И двата типа сензори са с достатъчна механична и изолационна якост, за да покрият целия диапазон от мощности и напрежения на силовите трансформатори.

Изградени са системи за непрекъснат контрол на състоянието на силови трансформатори, включващи фиброоптични сензори, които имат възможност да изчисляват остатъчния ресурс на трансформатора, да включват охлаждането, изключват трансформатора, подават аларма за опасно висока температура, подпомагат динамичното натоварване. Те могат да бъдат част от единна SCADA система.

Скоростта на стареене на изолацията на трансформатора се определя относно най-горещата точка на намотката по формули, посочени в международните стандарти IEC 60076-7, IEEE C57.91 и ГОСТ 14209-97. На фиг. 3 е показана графика на скоростта на стареене на хартията в зависимост от температурата на най-горещата точка на намотката.

Непрекъснатият контрол на температурата на най-горещите точки е от съществено значение за определяне на скоростта на износване на изолацията на трансформатора, а оттам и на остатъчния му ресурс. При повишаване на температурата на изолацията над 98 °С, започва интензивно износване, отделят се субпродукти, които допълнително ускоряват процесите на стареене, а наличието на фуранови съединения в изолационното масло е решаващ фактор за значително износване на целулозната изолация.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top