 |
СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Методы диагностики
механического состояния обмоток
 Александр Хренников,
к.т.н., главный
эксперт-аудитор
Департамента
технического аудита
ОАО «ФСК ЕЭС»,
г. Москва
Надежности и ресурсу силовых трансформаторов на дивноморской конференции (стр. 40) было уделено довольно большое внимание. Было отмечено,
что проблема недостаточной электродинамической стойкости обмоток
высоковольтных силовых трансформаторов при коротком замыкании (КЗ)
остается на сегодняшний день достаточно актуальной. Накопленный опыт
испытаний на стойкость к токам КЗ и опыт обследований трансформаторов
в эксплуатации показывает, что основными причинами потери электродинамической стойкости обмоток являются осевые и радиальные остаточные
деформации, полегание обмоточного провода, скручивание или раскручивание обмоток и другие, то есть механические повреждения.
Александр Юрьевич Хренников уже поднимал в нашем журнале проблему
электродинамических испытаний трансформаторов на стойкость к токам КЗ
(«Новости ЭлектроТехники» № 6(54) 2008). Сегодня он подробно рассказывает
о методах, применяемых для диагностики механического состояния обмоток
трансформаторов.
Повреждение мощного трансформатора высокого напряжения в
процессе эксплуатации вызывает аварийные ситуации и снижение
надежности работы электрической сети, поэтому результаты диагностических испытаний очень ценны для эксплуатации. Они необходимы
для выявления начальных повреждений и прогнозирования надежности
конструкции трансформатора.
Методами диагностики, чувствительными к изменению механического состояния обмоток, по праву считаются: измерение сопротивления КЗ, метод низковольтных импульсов (НВИ), метод частотного
анализа спектров сигналов обмоток (английская аббревиатура FRA
– Frequency Response Analysis). Остановимся на двух последних.
МЕТОД НВИ
Впервые разработан в 1966 г. польскими учеными-электротехниками
В. Лехом и Л. Тымински [1], их исследования были продолжены в
ВЭИ. У истоков создания аппаратуры для диагностики обмоток
трансформаторов методом НВИ стояли Е.А. Попов, Г.В. Аветиков,
Е.И. Левицкая и др. [2].
Метод НВИ заключается в том, что на одну из обмоток расшинованного трансформатора подается короткий прямоугольный зондирующий импульс низкого напряжения величиной около 100–600
В, длительностью около 1 мкс и одновременно наблюдается ток на
измерительных шунтах, подключенных к другим обмоткам.
Таким образом, исследуется переходный процесс, возникающий
в обмотках как реакция на воздействие прямоугольного импульса.
Предварительно производится паспортизация реакции исправного
(или нового) трансформатора на НВИ. Сравнение осциллограмм, записанных до КЗ (нормограмм) и после КЗ (дефектограмм), позволяет
оценить состояние трансформатора. Изменения в осциллограммах
свидетельствуют о появлении электрических или механических повреждений.
МЕТОД ЧАСТОТНОГО АНАЛИЗА СПЕКТРОВ
СИГНАЛОВ ОБМОТОК
Он является более предпочтительным по сравнению с методом
НВИ, поскольку меньше зависит от схемы измерений (взаимного
расположения измерительных кабелей, влияния ошиновки вблизи
объекта измерений, внешних помех в условиях действующей подстанции и других факторов) и позволяет количественно оценивать
возникающие в обмотках остаточные деформации.
У истоков метода частотного спектрального анализа стоит доктор
Р. Малевски, предложивший рассчитывать частотные спектры или
передаточную функцию обмотки по осциллограммам тока и напряжения трансформатора [3]. Затем аналогичные исследования были
продолжены рядом отечественных и зарубежных специалистов, в
том числе в ВЭИ [4, 5, 6].
Анализ процессов, происходящих в обмотках силового трансформатора при КЗ, значительно облегчается и становится более наглядным с использованием спектрального анализа сигналов обмотки
до и после КЗ. Спектральный анализ сигналов обмотки силовых
трансформаторов дает возможность оценивать изменение частотного
спектра в результате воздействия токов КЗ. По осциллограммам НВИ
возможна лишь качественная оценка изменений в обмотке силовых
трансформаторов по изменению частоты и амплитуды, что затрудняет
постановку диагноза повреждения.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИЗМЕРЕНИЙ
В связи с этим была поставлена задача перейти к количественной
оценке результатов измерений НВИ, что достигается путем математической обработки и определения изменений в спектрах основных
резонансных частот обмотки при ее повреждении.
Для построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)
обмотки трансформатора использовался численный спектральный
анализ на основе дискретного преобразования Фурье.
Запишем в общем виде спектральную функцию сигнала:
Пример 1
При испытаниях фазы А трансформатора ТДЦ-250000/220 на
мощном испытательном стенде (МИС) в г. Тольятти после опыта КЗ
с 85 % нормируемого значения ударного (апериодического) тока в
осциллограммах НВИ произошли значительные амплитудно-частотные
изменения, соответствующие радиальным деформациям в обмотке
НН фазы А. Поэтому был сделан вывод о невозможности проведения
дальнейших испытаний [8].
АЧХ, построенные на основе осциллограмм НВИ, показанных
на рис. 1, приведены на рис. 2. Изменения в спектрах обмоток,
произошедшие в результате радиальных деформаций, носят в
основном амплитудный характер, изменения по частоте менее
значительны. Одной из основных резонансных частот (рис. 1, 2)
является частота, соответствующая периоду 3 микросекунды, то есть
Это подтверждается расчетами спектров – одной из основных
резонансных частот является частота 320 кГц. Математическая
обработка результатов НВИ на основе спектрального анализа для
тpансфоpматоpа 250 МВА показала, что для крупных тpансфоpматоpов
в спектрах их обмоток имеются три основные резонансные частоты
(110, 320 и 500–550 кГц). При возникновении радиальных деформаций
амплитуда второй и третьей резонансной частоты (средней и высокой)
изменяется в 1,3–2 раза, что подтверждается рис. 2.
Таким образом, повышается достоверность и эффективность диагностики, существует возможность выявлять деформации обмоток на
ранней стадии появления [3, 4, 5].
Пример 2
Другой пример применения спектрального анализа сигналов
обмоток – повреждение обмотки НН фазы С трансформатора типа
ТДЦ-400000/220 в ходе испытаний на стойкость к токам КЗ на МИС
в г. Тольятти [9].
Математическая обработка результатов НВИ на основе спектрального анализа для трансформатора типа ТДЦ-400000/220 велась также
путем расчета АЧХ обмотки НН.
В ходе испытаний на КЗ после второго зачетного опыта на фазе
С обмотки НН возникли значительные радиальные деформации с
началом потери осевой устойчивости (ΔХк = +1,6 %) [10]. На рис.
3а пунктиром изображены АЧХ поврежденной обмотки НН фазы С
трансформатора типа ТДЦ-400000/220, рассчитанные по осциллограммам НВИ.
При испытаниях фазы С после третьего зачетного опыта КЗ изменение сопротивления КЗ (.Хк) относительно базовой величины до
испытаний составило +3,18 %. В осцилограммах НВИ обмотки НН
произошли значительные амплитудно-частотные изменения (рис. 3б).
Результаты измерений позволили сделать вывод об остаточных деформациях в обмотке НН фазы С трансформатора и о невозможности
проведения дальнейших испытаний.
Поскольку для трансформатора типа ТДЦ-400000/220 деформации более значительны, чем для трансформатора ТДЦ-250000/220,
изменения в АЧХ обмотки очень велики: исчезли первоначальные
резонансные частоты, присутствовавшие до испытаний (180; 440;
650 кГц), и появились новые резонансные частоты (100; 140–160;
320; 410; 950 кГц) [1].
Можно сделать вывод, что спектральный анализ позволяет повысить
достоверность и эффективность диагностических измерений, дает
возможность выявлять деформации на ранней стадии.
Как показано выше, на примере диагностики состояния обмоток
трансформатора, применение метода НВИ высокоэффективно, метод
чувствителен к небольшим изменениям межвитковых и межкатушечных емкостей и индуктивностей обмотки трансформатора. Вывод о
появлении деформаций делается на основе сравнения нормограмм,
снятых на неповрежденном трансформаторе, и дефектограмм, снятых
после КЗ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lech W., Tyminski L. Detecting transformer winding damage by the Low
Voltage Impulse method // Electrical Review (ERA Translation). 1966. Vol.
179. № 21.
2. Аветиков Г.В., Левицкая Е.И., Попов Е.А. Импульсное дефектографирование трансформаторов при испытаниях на электродинамическую
стойкость // Электротехника. 1978. № 4.
3. Monitoring of Winding Displacements in HV Transformers in Service /
R. Malewski, A.Yu. Khrennikov, O.A. Shlegel, A.G. Dolgopolov. CIGRE
Working Group 33.03. Italy, Padua, 4–9 Sept. 1995.
4. Дробышевский А.А., Левицкая Е.И. Количественная оценка результатов импульсного дефектографирования обмоток силовых трансформаторов // Электротехника. 1990. № 5.
5. Khrennikov A.Yu. Power transformer’s fault diagnostics at
«SAMARAENERGO» Co, including FRA/LVI method // Reports from
School of Math. And System Engineering. Sweden,Vaxjo University. 2000.
№ 43.
6. Khrennikov A.Yu. Short-circuit performance of power transformers.
Transformer testing experience for reliability’s increase of electric power
supply. CIGRE Colloquium, Committee A2. Moscow, 19–24 June. 2005.
Труды СИГРЭ.
7. Хренников А.Ю., Таджибаев А.И. Методы оценки состояния силовых
маслонаполненных трансформаторов на основе контроля геометрии
обмоток. СПб.: 2005.
8. Хренников A.Ю., Шлегель О.А., Бойченко Н.Г. Динамические испытания трансформатора мощностью 250 MB·А на стенде г. Тольятти. Тезисы доклада на VIII Всесоюзной научно-технической конференции по трансформаторостроению, г. Запорожье, 12–14 сентября
1990 г. М.: Информэлектро, 1991.
9. Хренников А.Ю. Информационно-измерительная система для контроля параметров силовых трансформаторов при электродинамических
испытаниях и в эксплуатации. Автореферат дисс. канд. техн. наук.
Самара: СамГТУ, 1997.
10. Короленко В.В., Конов Ю.С., Федорова В.П. Обнаружение повреждений трансформаторов при коротких замыканиях // Электpические
станции. 1980. № 7.
| 
|
