"Новости Электротехники №3(21)"«Электродинамическая стойкость силовых трансформаторов недостаточна», – говорят испытатели и предлагают свой план действий

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №3(21) 2003

«Электродинамическая стойкость силовых трансформаторов недостаточна», – говорят испытатели и предлагают свой план действий

Валерий Горшунов, зав. лабораторией ОАО «НИЦ ВВА»

Дмитрий Капустин, инженер ОАО «НИЦ ВВА»

Проблема со стажем
Проблема стойкости силовых трансформаторов при коротких замыканиях (КЗ) впервые всерьез заявила о себе в 1960-е годы. Тогда началось объединение отдельных энергосистем в единую энергосистему страны и строительство мощных электростанций, что привело к росту токов КЗ. Динамику увеличения мощностей энергосистем можно проследить, сравнивая таблицы мощностей КЗ энергосистем, приведенные в ГОСТ 11677 в 1965 и 1985 годах (табл. 1) [1].

Таблица1. Мощности трехфазного короткого замыкания сети по ГОСТ 11677-65 и ГОСТ 11677-85

Номинальное напряжение сети, кВ
	Мощность трехфазного короткого замыкания сети, МВ.А
	По ГОСТ 11677-65	по ГОСТ 11677-85
110	5000	15000
220	10000	25000
330	15000	35000
500	25000	50000

В 60-е годы стала увеличиваться мощность силовых трансформаторов, и началось освоение новых классов напряжения. В результате этого произошли аварии ряда трансформаторов, связанные с их недостаточной электродинамической стойкостью, максимум которых пришелся на начало 70-х годов. В то время повреждались главным образом автотрансформаторы 220, 330 и 500 кВ, например АОДЦТН-167000/500/220, АТДЦТН-200000/330/110, АТДЦТНГ-240000/220/110, АТДЦТНГ-240000/330/110.

Лучшая гарантия – это испытание
Расчет электродинамической стойкости обмоток трансформатора, проводимый на стадии проектирования, основан на ряде допущений и экспериментальных данных, которые можно получить лишь при испытаниях трансформатора на стойкость при КЗ [2]. Поэтому лучшей гарантией электродинамической стойкости силовых трансформаторов служат испытания. Первые трансформаторы в нашей стране были испытаны в конце 1950-х годов в ВЭИ, а с 1967 года испытания проводятся и в НИЦ ВВА.
В 70-е годы при пересмотре ГОСТ 11677 в него было включено требование обязательности испытаний типопредставителей всех серий трансформаторов мощностью до 125 МВ.А включительно. Поскольку в те годы потребность в испытаниях превышала пропускную способность всех отечественных стендов почти на порядок и принимая во внимание высокую стоимость испытаний, было разработано правило прототипов, впервые введенное в ГОСТ 11677-65, разрешающее в ряде случаев заменять испытания расчетным сопоставлением с испытанным прототипом. При пересмотре упомянутого стандарта в 1975 году правило прототипов ужесточили. в частности, сопоставительный расчет должен был проводиться по единой методике, согласованной с Минэнерго СССР. В ходе испытаний проводились исследования, направленные на совершенствование методики. Благодаря этому были найдены технические решения, существенно повышающие электродинамическую стойкость трансформаторов без дополнительных вложений цветных металлов. Положительное влияние на решение проблемы электродинамической стойкости оказывал установленный в те годы порядок приемки новых серий трансформаторов межведомственными и аттестационными комиссиями.
В 1985 году при очередном пересмотре ГОСТ 11677 изготовителям трансформаторов удалось внести примечание к п. 6.3 стандарта, допускающее что, в случае «если это не предусмотрено техническим заданием или согласовано между изготовителем и заказчиком в установленном порядке», испытания на стойкость при КЗ не проводятся. В условиях централизованного руководства, когда существовал единственный изготовитель – Минэлектротехпром СССР и ограниченное количество заказчиков – Минэнерго, МПС, Минхимпром, такое ограничение не было препятствием для проведения испытаний, поскольку «установленный порядок» предусматривал согласование ежегодного графика испытаний, а вопросы финансирования испытаний при централизованном заказе решались относительно безболезненно.

Нынешняя техническая политика ведет к авариям
С выделением энергосистем в самостоятельные предприятия испытания на стойкость при КЗ трансформаторов мощностью 10 МВ.А и выше не проводились, поскольку отдельные энергосистемы были не в состоянии оплатить испытания и восстановительный ремонт трансформатора. Прекратил существование мощный сетевой стенд (МИС) в г. Тольятти. В ОАО «НИЦ ВВА» с 1992 года по 2001 год испытывались только трансформаторы мощностью до 10 МВ.А. В таблице 2 приведено количество трансформаторов, испытанных на отечественных стендах в периоды до и после 1992 года, с указанием количества трансформаторов, имевших повреждения и замечания по результатам испытаний.

Таблица 2. Количество трансформаторов, испытанных на отечественных стендах в периоды до и после 1992 года.

Стенды
		Количество испытанных трансформаторов по мощностям, мв.А (шт.) (количество поврежденных или имевших замечания трансформаторов, шт)
		до 6,3 МВ.А (повреждения**)	6,3-125 МВ.А (повреждения**)	Свыше 125 МВ.А* (повреждения**)	Всего трансформаторов (Всего повреждений**)
ВЭИ	до 1992	169 (69)	34 (9)	0	203 (78)
ВЭИ	после 1992	22 (10)	0	0	22 (10)
НИЦ ВВА	до 1992	85 (51)	82 (79)	0	167 (130)
НИЦ ВВА	после 1992	22 (8)	4 (2)	0	26(10)
МИС (Тольятти)	до 1992	0	0	13 (7)	13 (7)
МИС (Тольятти)	после 1992	Стенд выведен из эксплуатации

Таблица 3. Виды и число повреждений, полученных при испытаниях

Вид повреждения	Число повреждений (в знаменателе – в процентах от общего количества)
1	2
Потеря радиальной устойчивости	70/20,95
Повреждение системы прессовки	57/17,07
Полегание проводов	26/7,78
Разворот обмотки	26/7,78
Снижение сил прессовки более чем на 40%	25/7,48
Повреждения обмоток РО	26/7,78
Смещение столбов прокладок	14/4,19
Радиальные повреждения обмоток, не связанные с потерей радиальной устойчивости	9/2,70
Смещение внутренних отводов	18/5,39
Неплотная намотка обмоток	2/0,61
Осевой изгиб проводов	12/3,59
Прочее	49/14,68
Общее число повреждений	334/100
Число испытанных фаз	172

Распад традиционных связей между трансформаторными заводами и поставщиками комплектующих, отток специалистов из отрасли, появление новых материалов и технологий, завершение установленных стандартом сроков действия протоколов испытаний трансформаторов-прототипов – всё это привело к тому, что в настоящее время отсутствует достоверная информация о состоянии дел в области электродинамической стойкости трансформаторов. Соответственно нет гарантии поступления в энергосистемы России надежных трансформаторов.
Такая техническая политика стала причиной нового всплеска аварийности: с 1995 года получили повреждения автотрансформаторы АТДЦТН-200000/330/110, АТДЦТН-250000/500/110, АОДЦТН-167000/500/220, трансформаторы ТД-80000/110, ТДНС-40000/220, ТРДЦН-125000/110, ранее считавшиеся динамически стойкими. [3]

Что показывает практика испытаний
Как правило, испытания мощных трансформаторов проводятся пофазно, что позволяет проверить несколько аварийных режимов или провести сравнение нескольких технических решений.
В таблице 3 даны виды и число повреждений фаз трансформаторов, испытанных в ОАО «НИЦ ВВА». (В большинстве случаев трансформатор получает одновременно несколько видов повреждений.)
Обострение ситуации, связанной с аварийностью, вызванной недостаточной стойкостью трансформаторов к токам КЗ, вынудило в 2001 году РАО «ЕЭС России» профинансировать испытания трех трансформаторов: двух трехобмоточных мощностью 25000 и 40000 кВ.А и одного – собственных нужд электростанций, мощностью 25000 кВ.А отечественного производства.
Результаты испытаний показали, что трансформатор собственных нужд электростанций и трехобмоточный трансформатор мощностью 25000 кВ.А успешно выдержали все испытательные режимы. Трехобмоточный трансформатор мощностью 40000 кВ.А повредился при токах значительно меньших, чем расчетные токи КЗ, причем повредились узлы, конструкция которых ранее была тщательно отработана и многократно проверена испытаниями. В частности, повре-дились обмотки РО в местах выхода регулировочных отводов (рис. 1). В прежние годы отводы крепились с помощью сегментов из бумажно-бакелитовых цилиндров с отверстиями для отдельных проводников и стеклобандажей. В данном трансформаторе крепление осуществлялось с помощью электрокартонных реек и стеклобандажей.
На двух фазах испытанного трансформатора прессовка обмоток была выполнена кольцами из древесно-слоистого пластика (ДСП). Такие кольца применялись и ранее, однако под прессующие винты устанавливались массивные подпятники, площадь которых составляла более половины опорной поверхности кольца. В результате положительный эффект от применения колец из ДСП сводился к нулю, а в конструкции трансформатора появлялось до 24 стальных деталей, которые в процессе эксплуатации трансформатора, при распрессовке обмоток, могли сместиться и образовать замкнутые контуры. Учитывая это, ряд заводов отказался от применения колец из ДСП на трансформаторах мощностью 16 МВ.А и выше.
Установка колец из ДСП на испытанном трансформаторе с использованием подпятников с малой площадью опоры привела к тому, что в процессе испытаний прессующие винты пробили прессующие кольца, вызвав смещение обмоток и витковые замыкания (рис. 2). На одной из фаз испытанного трансформатора в порядке эксперимента были установлены стальные прессующие кольца, однако опорная площадь подпятников под прессующими винтами оказалась недостаточной, что привело к разрушению изоляционных прокладок под подпятниками, деформации прессующих винтов, образованию замкнутых контуров и смещению обмоток (рис. 1). Кроме того, на трансформаторе были очень большие пролеты между клицами, крепящими отводы вне зоны обмоток, что привело к смещению отводов при протекании по ним тока КЗ.

Рисунок 1.Трансформатор ТДТН-40000/110-У1.
Деформации регулировочных обмоток. Разрушение
подпятников под прессующими винтами

Рисунок 2.
трансформатор ТДТН-40000/110-У1.
Разрушение прессующих колец из дсп.

Из вышеизложенного следует, что заводом-изготовителем трансформатора ТДТН-40000/110-У1 был полностью утрачен опыт конструирования в части обеспечения стойкости при КЗ. Прочность повредившихся при испытаниях узлов не может быть проверена расчетами на стадии проектирования и подтверждается только испытаниями, поэтому отказ от испытаний мощных трансформаторов может привести к их повреждениям в эксплуатации. Завод-изготовитель трансформаторов ТДТН-25000/110-У1 и ТРДНС-25000/110-У1 сохранил все технические решения, ранее проверенные испытаниями, что позволило добиться положительных результатов при испытаниях.

Распределительные трансформаторы тоже небезупречны
В 1990-е годы на отечественных стендах было испытано большое количество отечественных и зарубежных распределительных трансформаторов мощностью от 1 до 1600 кВ.А, в том числе сухих. Опыт испытаний трансформаторов, выпущенных отечественными заводами, показал, что первые испытания, как правило, оканчивались повреждениями активной части и отводов. Как и при испытаниях мощных трансформаторов, причина повреждений – в потере опыта конструирования. Однако при подготовке к повторным испытаниям ранее допущенные ошибки устранялись и результаты повторных испытаний оказывались положительными.
Испытания трансформаторов зарубежных изготовителей обычно оказывались успешными, несмотря на то что трансформаторы спроектированы на более легкие режимы, предусмотренные стандартом МЭК 76-5, в отличие от режимов, предусмотренных ГОСТ 11677-85, однако отмечен ряд случаев, когда в эксплуатацию поставлялись трансформаторы, конструктивно отличающиеся от тех, что были представлены на испытания. Внесенные изменения значительно ослабляли стойкость трансформаторов к токам КЗ.
Результаты испытаний показали, что сокращение объемов испытаний, а иногда и отказ от них, может привести к значительному всплеску аварийности трансформаторов, поставляемых в энергосистемы.

Программа действий
Решая проблему стойкости трансформаторов при КЗ, необходимо идти одновременно по следующим направлениям.
1. Пересмотр ГОСТ 11677 «Трансформаторы силовые» (Общие технические условия).
Первой причиной, вызвавшей нынешний всплеск аварийности силовых трансформаторов при КЗ, стало примечание к пункту 6.3 ГОСТ 11677-85, позволяющее обходить испытания на стойкость при КЗ. Поэтому решение проблемы следует начать с отмены примечания.
При пересмотре пункта 6.5 ГОСТ 11677-85 необходимо отменить разрешение не проводить периодические испытания на стойкость при КЗ. Опыт испытаний электроаппаратуры, а не только силовых трансформаторов, показывает, что за время, проходящее между периодическими испытаниями, конструкция изделия претерпевает ряд упрощений, в результате которых рекомендации, внедренные по результатам испытаний, часто оказываются утерянными. 2. Участие России в работе комиссии по пересмотру МЭК 76-5, согласование единой позиции.
Согласно новой редакции МЭК 76-5 демонстрация покупателю стойкости при КЗ может проводиться путем испытаний либо расчетом, причем выбор формы демонстрации за покупателем. Такой подход трактуется нашими изготовителями только как возможность отказа от испытаний. В действительности зарубежный изготовитель увеличивает объем испытаний, особенно исследовательских, желая утвердить престиж фирмы и избежать оплаты ущерба от недоотпуска электроэнергии покупателю. Введение в России практики возмещения ущерба от недоотпуска электроэнергии, вызванного повреждением трансформатора в период его гарантийного срока службы, сняло бы все вопросы, связанные с финансированием испытаний [4].
3. Пересмотр методики расчета стойкости трансформаторов при КЗ и принятие ее как единого документа для всех трансформаторов, эксплуатирующихся в России.
Стандартизованная методика расчета трансформаторов на стойкость при КЗ не пересматривалась с 1988 года. За это время появились новые технические наработки, которые целесообразно включить в методику, но еще больше возникло вопросов, требующих обязательного исследования. При пересмотре методики необходимо обсудить вопрос об обосновании коэффициентов запаса.
4. Возрождение процедуры приемки трансформаторов межведомственными комиссиями (включая вопросы выбора трансформаторов-прототипов для испытаний и решение о необходимости испытаний трансформатора или модели).
5. Использование сертификации как инструмента для решения проблемы, пересмотр правил оценки пожарной безопасности.
В настоящее время действует только один инструмент, позволяющий влиять на качество трансформаторов, – сертификация на соответствие требованиям безопасности. Обязательные проверки носят формальный характер и никаким образом не могут повлиять на решение проблемы стойкости трансформаторов к токам КЗ, в частности, пожарная безопасность подтверждается формальным расчетом, не требующим проведения испытаний на стойкость при КЗ. На наш взгляд, пожарная безопасность должна подтверждаться наличием протоколов испытаний на стойкость при КЗ, испытаний электрической прочности изоляции, испытаний на нагрев, испытаний вводов, испытаний бака на механическую прочность и герметичность.
6. Пересмотр гарантийных обязательств заводов-изготовителей. Трансформатор, поставляемый в энергосистему без испытаний, должен иметь увеличенный гарантийный срок, как минимум до первого капитального ремонта.
7. Решение проблемы финансирования испытаний.
Следует определить понятие «заказчик»: проблема не будет решена, если «заказчиком» будут выступать конкретные энергосистемы, не имеющие средств на проведение испытаний и исследований, результаты которых должны принадлежать всей отрасли. «Заказчиком», определяющим техническую политику в этом вопросе, должно выступать РАО «ЕЭС России», которому следует иметь информацию о планируемых объемах поставок трансформаторов в конкретные энергосистемы. В этом случае можно распределить стоимость испытаний на несколько заказов.
8. Модернизация существующих испытательных стендов, возрождение сетевых стендов.
9. Проведение исследований стойкости трансформаторов при КЗ с целью совершенствования методики расчета, изучение новых материалов и технологий.
10.Возрождение полноразмерного моделирования как инструмента для исследований.
Большой объем исследований проводился в прежние годы на моделях (полноразмерных моделях с магнитопроводом «ДИНА», полноразмерных моделях без магнитопровода «ЛДУ» и неполноразмерных моделях «МДУ»). Испытания обмоток в моделях значительно дешевле испытаний трансформаторов. В настоящее время модели могли бы послужить достаточно эффективным инструментом для исследований [5].

Литература
1. ГОСТ 11677-85 Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
2. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю., Неклепаев Б.Н., Антипов К.М., Сурба А.С., Чичинский М.И. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в эксплуатации//Электрические станции.–2001.–№9.–c. 53-58.
3. РД 16.431-88 Трансформаторы силовые. Расчет электродинамической стойкости обмоток при коротких замыканиях.–96 с.
4. Лоханин А.К., Панибратец А.Н. Вопросы трансформаторостроения на 38-й сессии СИГРЕ в Париже с 27 августа по 1 сентября 2000 г.–c.1-5.
5. Конов Ю.С., Хубларов Н.Н. Полноразмерные модели для исследований электродинамической стойкости крупных трансформаторов//Электрические станции.–1980.–№3.–c.41-43.