 |
СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Проблемы электродинамической стойкости
Александр Хренников,к.т.н., главный эксперт-аудитор
Департамента технического аудита ОАО «ФСК ЕЭС», г. Москва
Недостаточная электродинамическая стойкость обмоток трансформатора при протекании токов короткого замыкания, приводящая к механическим деформациям обмоток,
является одной из основных причин аварийного выхода трансформатора из строя.
В советский период ГОСТ 11677 требовал проведения испытаний на стойкость при коротких
замыканиях силовых трансформаторов всех мощностей и классов напряжения.
В 1990-е годы аварийность из-за недостаточной стойкости трансформаторов к токам КЗ начала нарастать по причине ослабления внимания к проблеме электродинамической стойкости
и того, что п. 6.3 новой редакции ГОСТ 11677-85 допускает в случае, «если это не предусмотрено
техническим заданием или согласовано между изготовителем и заказчиком в установленном порядке», испытания на стойкость при КЗ не проводить. К чему приводит такая ситуация? Об этом
в материале Александра Юрьевича Хренникова.
Электродинамические испытания силовых трансформаторов
на стойкость обмоток при протекании сквозных токов КЗ служат
инструментом для повышения надежности их конструкции и обеспечения бесперебойности электроснабжения потребителей
электроэнергии [1–4].
Суть электродинамических испытаний трансформаторов заключается в создании в процессе определенного количества зачетных
опытов КЗ (как правило, 5–6) условий, максимально приближенных
к тому, что может произойти с трансформатором за период его эксплуатации в результате возможных аварийных ситуаций. В комплекс
испытаний входит контроль состояния важнейших элементов трансформатора, в частности обмоток, в процессе опытов КЗ и окончательное заключение о результатах испытаний уже после разборки
трансформатора на заводе-изготовителе.
На мощном испытательном стенде (МИС) в г. Тольятти за период
1983–1994 гг. было испытано в различных режимах около 30 силовых
трансформаторов и реакторов мощностью от 25 МВА до 666 МВА и
классов напряжения от 110 кВ до 1150 кВ [5–9].
Следует отметить, что результаты электродинамических испытаний на стойкость к токам КЗ силовых трансформаторов, реакторов
и другого электрооборудования, а также диагностики состояния
электрооборудования в ходе испытаний получены при личном участии автора статьи в ходе его работы инженером-испытателем на
МИС в Тольятти, а затем обучения в аспирантуре ВЭИ.
Достигнутые на МИС результаты вывели состояние отрасли
электродинамических испытаний силовых трансформаторов на
пространстве бывшего СССР на уровень самых передовых зарубежных стендов: Renadieres (Франция), KEMA (Голландия), CESI
(Италия), были получены ценнейшие экспериментальные данные,
внесшие большой вклад в развитие отечественного трансформаторостроения.
К сожалению, в последние годы ситуация с испытаниями
сильно усложнилась. МИС уже прекратил свое существование,
на генераторном стенде НИЦ ВВА имеются 2 ударных генератора
устаревшей конструкции, при этом подъездные пути для перекатки трансформаторов от железнодорожной ветки находятся
в ненадлежащем состоянии. На сегодняшний день здесь могут
испытываться трансформаторы трехфазной мощностью только
до 40 МВА [10].
Поэтому, как отмечается в [11], на сегодняшний день назрела
настоятельная необходимость возрождения российских испытательных центров, в том числе для проверки силовых трансформаторов на
стойкость при КЗ. Ведь как показывает практический опыт испытаний
силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ на МИС, компьютерные расчёты на моделях не гарантируют электродинамическую
стойкость обмоток на 100%. Только натурные испытания на стойкость к токам КЗ позволяют выявить в головном образце трансформатора
(реактора) слабые места в конструкции, а затем внести изменения
в конструкцию его обмоток по результатам испытаний и разборки
на заводе-изготовителе. Трансформатор нового типоисполнения
запускается в серийное производство только с учетом этих изменений [1– 9, 11–13].
Подробный алгоритм расчетов наибольшего установившегося
тока КЗ, сопротивления КЗ трансформатора, сопротивления КЗ сети,
установившегося тока в обмотке НН и значений апериодических
составляющих (ударных) токов КЗ рассмотрен в [13].
Статистика показывает, что с 1995 года получили повреждения
автотрансформаторы типа АТДЦТН-200000/330/110, АТДЦТН-
250000/500/110, АОДЦТН-167000/500/220, трансформаторы типа
ТД-80000/110, ТДНС-40000/220, ТРДЦН-125000/110, ранее считавшиеся динамически стойкими [10, 14].
Поэтому по инициативе и при финансировании РАО «ЕЭС России»
после 2000 года на стенде НИЦ ВВА были проведены испытания
трех трансформаторов:
1) типа ТДТН-40000/110, который не выдержал испытания и повредился при токах значительно меньших, чем расчетные токи КЗ;
2) трехобмоточный мощностью 63 МВА, успешно выдержавший
испытания;
3) мощностью 25 МВА для собственных нужд электростанций, также
успешно выдержавший испытания, в том числе и по стойкости к
толчкам токов нагрузки.
Электродинамические испытания показали, что заводомизготовителем трансформатора типа ТДТН-40000/110 за период
1990-х годов был полностью утрачен опыт конструирования в части обеспечения стойкости при КЗ. Как удалось выяснить, расчет
электродинамической стойкости трансформатора производился с
использованием пакета программ РЭСТ-ВЭИ, однако убедиться в
корректности этих расчетов не представилось возможным [10].
Для подстанционного оборудования ОАО «ФСК ЕЭС» проблема
электродинамической стойкости обмоток силовых трансформаторов
также достаточно актуальна. В 2005 году на подстанции Уральского
региона произошло отключение АТ-3 типа АТДЦТН-250000/500/110
(1979 года изготовления) от действия дифференциальной и газовой
защит с пуском пожаротушения. Газ в газовом реле по результатам
хроматографического анализа газов (ХАРГ) оказался горючим.
В результате электродинамического действия тока КЗ возникли
остаточные деформации обмотки ВН. Произошла также деформация
корпуса бака АТ в верхней части. Остаточные деформации обмотки
500 кВ автотрансформатора типа АТДЦТНГ-250000/500/110 представлены на рис. 1.
Проблема повреждения трансформаторов от потери электродинамической стойкости не всегда связана с тем, что они изначально были динамически нестойкими к токам КЗ. Следует также учитывать,
что фактический ток КЗ мог быть больше допустимого по техническим условиям, снизилось усилие прессовки обмоток или она была
уменьшена предыдущими КЗ и т.д.
Таким образом, ослабляется внимание к проблеме электродинамической стойкости силовых трансформаторов к токам КЗ. При
этом происходит ежегодное увеличение (примерно на 200 единиц)
количества трансформаторов единичной мощностью свыше 80
МВА, отработавших свыше 25 лет. Рост экономики России требует
и увеличения количества вновь вводимых трансформаторов в связи
со строительством новых энергообъектов. Всё это повышает актуальность данной проблемы.
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
Как говорится в [12], в настоящее время «сокращается объем
испытаний трансформаторов на стойкость при КЗ, резко снижается
объем исследований в этой области, уменьшается число квалифицированных специалистов, на заводах теряется приобретенный
ранее опыт обеспечения надежности трансформаторов и реакторов,
особенно новых типов, возрастает объем импорта трансформаторного оборудования, не соответствующего строгим отечественным
стандартам». Трудно не согласиться с этими словами. Необходимо
принять принципиальное решение на уровне ОАО «ФСК ЕЭС» о расширении возможностей проведения электродинамических испытаний на стенде НИЦ ВВА, о поиске альтернативного варианта сетевого
стенда, аналогичного демонтированному стенду МИС в г. Тольятти,
или о строительстве нового испытательного стенда.
Следует принимать во внимание следующие аспекты возможности проведения электродинамических испытаний силовых трансформаторов:
1) близость к источнику генерации с достаточной величиной
мощности КЗ (Sкз);
2) заключение соглашения между территориально генерирующими
компаниями (ТГК), ОАО «ФСК ЕЭС» и системным оператором
ОАО «СО ЕЭС» о кооперации в сфере проведения испытаний на стойкость к токам КЗ, так как такие режимы создают большие возмущения
в питающей сети высшего напряжения (например 500 кВ) – падение напряжения в момент опыта КЗ (на МИС с 500 кВ почти до 200 кВ), запуски релейных защит, запуск форсировки возбуждения генераторов в момент КЗ, опасность нарушения устойчивости системы в
целом и другие проблемы;
3) заинтересованность заводов-изготовителей силовых трансформаторов в проведении таких испытаний и в появлении испытательного стенда, так как это повысит надежность конструкции выпускаемых трансформаторов, а также близость заводов-изготовителей
к стенду (позволяет снизить расходы на перевозку головных образцов трансформаторов);
4) наличие подходящей территории и инфраструктуры, в том
числе железнодорожная ветка для перевозки трансформаторов;
5) человеческий фактор, т.е. наличие квалифицированного
персонала (может оказаться, что это важнейший фактор, так как
недавний опыт попытки возрождения МИС в Тольятти показал невозможность возвращения персонала после нескольких лет отсутствия
заказов на испытания);
6) близкое расположение научных центров в области электроэнергетики и электротехники для решения сложных технических
проблем, возникающих в ходе испытаний, и для оказания научнометодической помощи;
7) значительные финансовые вложения для организации и
обеспечения процесса электродинамических испытаний силовых
трансформаторов и другие факторы [5, 6, 13].
Варианты
Структурная схема такого испытательного стенда может включать
следующие подразделения:
- группа расчетов режимов КЗ;
- группа испытаний и диагностики состояния трансформаторов до, после испытаний и между опытами КЗ, чтобы контролировать состояние обмоток, не довести их до разрушения и, если это необходимо, вовремя приостановить опыты КЗ;
- группа обслуживания высоковольтных тиристорных вентилей, которые будут использованы в режиме тиристорного ключа;
- группа обслуживания промежуточных трансформаторных групп для подбора необходимых величин сопротивлений для ограничения токов КЗ (если это необходимо) и подготовки испытуемых трансформаторов к испытаниям, включая их перекатку к месту испытаний, заливку масла, монтаж и демонтаж высоковольтных вводов и др.
Первым альтернативным вариантом стендам НИЦ ВВА и демонтированному МИС могли бы стать испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ на площадке ПС 750 кВ «Белый Раст»
Московского ПМЭС с использованием здания специализированной
производственной базы «Белый Раст», где ранее испытывались
опытные образцы электрооборудования напряжением до 750 кВ, и
мощности КЗ Конаковской ГРЭС при длине линии 500 кВ «Конаковская ГРЭС – Белый Раст» 88,9 километра.
Вариант 1а выделенной линии 500 кВ «Конаковская ГРЭС – Белый
Раст» предпочтителен для испытаний на стойкость к токам КЗ для
исключения ненормированных режимов на линиях «Бескудниково –
Белый Раст», «Очаково – Белый Раст», «Опытная – Белый Раст» в
связи с близостью к московскому кольцу и опасностью нарушения
электроснабжения столичного региона; вариант 1б – с учетом притока мощности КЗ по вышеперечисленным линиям.
Вторым вариантом следует рассматривать возможность электродинамических испытаний силовых трансформаторов на ПС 750 кВ
«Опытная» Валдайского ПМЭС, которая находится вблизи Конаковской ГРЭС, на расстоянии 430 метров.
РАСЧЕТЫ
Проведем расчеты величин установившегося и апериодического
токов КЗ, сравнивая их с нормируемыми значениями, определенными ранее во время испытаний на стенде МИС. Оценим возможность
испытаний на стойкость к токам КЗ трансформаторов типа ТДЦ-
250000/220, ТДЦ-80000/110 и ТЦ-666000/500 на ПС 750 кВ «Белый
Раст» и на подстанции 750 кВ «Опытная».
Для ПС 750 кВ «Белый Раст» рассмотрим варианты 1а и 1б:
1а) выделенная линия 500 кВ «Конаковская ГРЭС – Белый
Раст» для исключения ненормированных режимов на отходящих
линиях «Бескудниково – Белый Раст», «Очаково – Белый Раст»,
«Опытная – Белый Раст», т.е. будем считать их не задействованными в опытах КЗ;
1б) с учетом подпитки мощности КЗ по линиям «Бескудниково –
Белый Раст», «Очаково – Белый Раст», «Опытная – Белый Раст».
Для ПС 750 кВ «Опытная» рассмотрим вариант 2, когда питание
осуществляется только со стороны Конаковской ГРЭС при не задействованных в опытах КЗ ВЛ 750 кВ «Опытная – Белый Раст» и
«Калининская АЭС – Опытная» и сохранении транзита электроэнергии по ВЛ 750 кВ в сторону московского энергоузла.
Нормируемое значение ударной (апериодической) составляющей тока КЗ для обмотки ВН трансформатора составит по результатам предыдущих расчетов для трансформатора ТДЦ-250000/220 –
12,4 кА по стороне 220 кВ; для ТДЦ-80000/110 – 8,26 кА по стороне
110 кВ; для ТЦ-666000/500 – 10,28 кА по стороне 500 кВ.
Вариант 1а
– наибольший установившийся ток КЗ по стороне ВН в двухобмоточном режиме:
или 53,8% от нормируемого значения (12,4 кА по стороне 220 кВ).
Испытания невозможны.
При испытаниях трансформатора типа ТДЦ-80000/110 значение
апериодической составляющей (ударной) тока КЗ составит 3, 777 кА
или 45,7% от нормируемого значения (8,26 кА по стороне 110 кВ).
Испытания невозможны.
При испытаниях трансформатора типа ТЦ-666000/500 значение
апериодической составляющей (ударной) тока КЗ составит 7, 717 кА
или 75,07% от нормируемого значения (10,28 кА по стороне 500 кВ).
Испытания невозможны.
Вариант 1б
Исходные данные:
или 106,03% от нормируемого значения (12,4 кА по стороне 220 кВ).
ГОСТ требует 100% ± 5%. Испытания на стойкость к токам КЗ
возможны, и Iкз даже превосходит нормируемые значения, однако
необходимо ограничивать ток КЗ, чтобы не довести обмотки трансформатора до разрушения.
При испытаниях трансформатора типа ТДЦ-80000/110 значение
апериодической составляющей (ударной) тока КЗ составит 8,42 кА,
или 101,89% от нормируемого значения (8,26 кА по стороне 110 кВ).
Испытания на стойкость к токам КЗ возможны, трансформатор
получит требуемые нормированные значения тока КЗ.
При испытаниях трансформатора типа ТЦ-666000/500 значение апериодической составляющей (ударной) тока КЗ составит
10,778 кА, или 104,85% от нормируемого значения (10,28 кА по стороне 500 кВ). Испытания на стойкость к токам КЗ возможны.
Вариант 2
Исходные данные:
или 103,7% от нормируемого значения (12,4 кА по стороне 220 кВ).
Испытания на стойкость к токам КЗ возможны.
При испытаниях трансформатора типа ТДЦ-80000/110 значение
апериодической составляющей (ударной) тока КЗ составит 8,32 кА,
или 100,73% от нормируемого значения (8,26 кА по стороне 110 кВ).
Испытания на стойкость к токам КЗ возможны.
При испытаниях трансформатора типа ТЦ-666000/500 значение
апериодической составляющей (ударной) тока КЗ составит 10, 38 кА,
или 101,04% от нормируемого значения (10,28 кА по стороне 500 кВ).
Испытания на стойкость к токам КЗ возможны.
СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ
Результаты расчетов величин токов КЗ и сравнение вариантов
1а, 1б и 2 позволяют сделать следующие выводы:
на ПС 750 кВ «Белый Раст» имеется возможность создать необходимые нормированные значения токов КЗ для испытаний на
стойкость к токам КЗ трансформаторов типа ТДЦ-250000/220,
ТДЦ-80000/110 и ТЦ-666000/500 при условии питания со стороны
Конаковской ГРЭС и подпитки мощности КЗ по линиям «Бескудниково – Белый Раст», «Очаково – Белый Раст», «Опытная – Белый
Раст». В случае варианта выделенной линии 500 кВ «Конаковская
ГРЭС – Белый Раст» такие испытания невозможны;
на ПС 750 кВ «Опытная» возможны электродинамические испытания силовых трансформаторов мощностью 80 МВА/110 кВ,
250 МВА/220 кВ и даже сверхмощного 666 МВА/500 кВ при
варианте питания только со стороны Конаковской ГРЭС при не
задействованных в опытах КЗ ВЛ 750 кВ «Опытная – Белый Раст»
и «Калининская АЭС – Опытная» и сохранении транзита электроэнергии по ВЛ 750 кВ в сторону московского энергоузла.
Следует сразу оговориться, что в данной статье не рассматриваются вопросы надежности электроснабжения московского энергоузла во
время электродинамических испытаний (хотя и учитываются некоторые аспекты этой проблемы, например выделенная линия с Конаковской ГРЭС) – это тема для отдельных специальных исследований.
ВЫВОДЫ
1. Для подстанционного оборудования ОАО «ФСК ЕЭС» проблема
электродинамической стойкости обмоток силовых трансформаторов
достаточно актуальна, в последние годы по причине недостаточной
электродинамической стойкости повредился ряд трансформаторов.
2. Необходимо принять принципиальное решение на уровне ОАО
«ФСК ЕЭС» о расширении возможностей проведения электродинамических испытаний на стенде НИЦ ВВА, о поиске альтернативного
варианта сетевого стенда на ПС 750 кВ «Белый Раст» или «Опытная»,
аналогичного демонтированному стенду МИС в г. Тольятти, или о
строительстве нового испытательного стенда.
3. Результаты расчетов величин токов КЗ и сравнение вариантов
предполагаемого размещения сетевого стенда для электродинами-
ческих испытаний силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ
показали, что на ПС 750 кВ «Белый Раст» и на ПС 750 кВ «Опытная»
возможно создать необходимые нормированные значения токов
КЗ для испытаний на стойкость к токам КЗ трансформаторов типа
ТДЦ-250000/220, ТДЦ-80000/110 и ТЦ-666000/500.
4. На ПС «Белый Раст» такие испытания могут быть осуществлены только при условии питания со стороны Конаковской ГРЭС
и подпитки мощности КЗ по линиям «Бескудниково – Белый Раст»,
«Очаково – Белый Раст», «Опытная – Белый Раст». На ПС «Опытная» –
даже при варианте питания по выделенной линии только со стороны
Конаковской ГРЭС при не задействованных в опытах КЗ ВЛ 750 кВ
«Опытная – Белый Раст» и «Калининская АЭС – Опытная».
5. Вопрос о строительстве нового стенда для электродинамических испытаний на стойкость к токам КЗ безусловно связан с
новыми технологиями, что позволит создать образцы новых типоисполнений силовых трансформаторов, применить новые научные
разработки в трансформаторостроении, повысить надежность
работы трансформаторно-реакторного оборудования подстанций
Единой электрической сети.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хpенников А.Ю. Основные причины повреждения обмоток силовых
трансформаторов напряжением 110–500 кВ в процессе эксплуатации //
Промышленная энергетика. – 2006. – № 12.
2. Хpенников А.Ю., Шлегель О.А., Шифрин Л.Н. Электродинамические
испытания трансформатора типа ТЦ-666000/500 на МИС, г. Тольятти // Известия вузов «Электромеханика». – 2006. – № 6.
3. Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Дементьев Ю.А., Антипов К.М., Сурба А.С.,
Шейко П.А., Неклепаев Б.Н. , Шифрин Л.Н., Кассихин С.Д., Славинский А.З.,
Сипилкин К.Г. О надежности силовых трансформаторов и автотрансформаторов электрических сетей // Электрические станции. – 2005. – № 11.
4. Короленко В.В., Конов Ю.С., Федорова В.П. Обнаружение повреждений
трансформаторов при коротких замыканиях // Электрические станции. –
1980. – № 7.
5. Хpенников А.Ю. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ // Промышленная энергетика. – 2007. – № 8.
6. ГОСТ 20243-88. Трансформаторы силовые. Методы испытаний на
стойкость при коротком замыкании.
7. Хренников А.Ю., Таджибаев А.И. Методы оценки состояния силовых
маслонаполненных трансформаторов на основе контроля геометрии обмоток
// Монография, ПЭИПК, СПб, 2005.
8. Хренников А.Ю. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ как инструмент повышения надежности подстанций
единой электрической сети // Новое в российской энергетике – 2008. – № 2.
9. Хренников А.Ю. Проблема электродинамической стойкости силовых
трансформаторов // Промышленная энергетика. – 2008. – № 9.
10. Горшунов В.Ю., Капустин Д.С. «Электродинамическая стойкость силовых трансформаторов недостаточна», – говорят испытатели и предлагают
свой план действий // Новости ЭлектроТехники. – 2003. – № 3(21).
11. Малышев А.В. Нужно возрождать российские испытательные центры
// Новости ЭлектроТехники. – 2008. – № 4(52).
12. Электродинамическая стойкость трансформаторов и реакторов при
коротких замыканиях // Сборник статей. Под редакцией Лурье А.И. Труды
ВЭИ, М.: «Знак», 2005, 520 с., Ил.
13. Лурье А.И., Мильман Л.И., Шлегель О.А., Червяков В.А. Результаты
испытаний трансформатора ТДТН-25000/110 на стойкость при КЗ // Электротехника. – 1987. – № 4.
14. РД 16.431-88. Трансформаторы силовые. Расчет электродинамической
стойкости обмоток при коротких замыканиях.
| 
|
