Одной из причин внутренних замыканий обмоток силовых трансформаторов является недостаточная электродинамическая стойкость обмоток при коротких замыканиях, которая может привести к пробою изоляции в месте остаточных деформаций и поэтому остается на сегодняшний день достаточно актуальной.
Александр Александрович Дробышевский в своем материале оценивает существующие методы оценки механического состояния обмоток трансформаторов с целью найти оптимальный способ диагностики.

Александр Дробышевский,
к.т.н, главный эксперт,
Центр управления проектами
по ВЛ и ПС
ОАО «НТЦ электроэнергетики»,
г. Москва

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Методы оценки механического состояния обмоток в эксплуатации

Электродинамическая стойкость трансформаторов при коротких замыканиях (КЗ) является важнейшей характеристикой, которая, в общем случае, определяется следующими составляющими:

1. Конструкцией трансформатора, обеспечивающей сбалансированное распределение плотности потока рассеяния и отсутствие магнитной несимметрии, стабильность силы прессовки при транспортировке и в течение всего срока службы и т.д.
2. Выбором материалов, включающим в себя применение упрочненной меди, специального эпоксидно-пропитанного транспонированного провода, малоусадочного картона повышенной плотности и т.д.
3. Технологией производства, включающей в себя горячее вакуумирование, сжатие обмоток до конечной сборки, циклическую прессовку обмоток и другие операции, обеспечивающие стабильность механических и физико-химических свойств изоляционных материалов в процессе длительного времени эксплуатации.
4. Возрастом трансформатора, а также качеством его обслуживания в процессе эксплуатации.

Испытания

В соответствии с ГОСТ Р 52719-2008 стойкость трансформаторов при КЗ должна подтверждаться обязательными электродинамическими испытаниями для всех трансформаторов мощностью до 40 МВА. Для трансформаторов свыше 40 МВА – испытаниями или расчетом по согласованной с потребителем методике [1].

Однако данные испытательных центров показывают, что объем электродинамических испытаний в России сократился за последнее десятилетие в десятки раз. То есть фактически стойкость трансформаторов, поступающих в эксплуатацию в последние годы, надежно не подтверждена. Это усугубляется еще и тем, что трансформаторные заводы разрабатывают новые конструкции, применяют новые материалы, изменяют технологии изготовления, что не учитывается в методике расчета электродинамической стойкости: программа РЭСТ (Расчет электродинамических сил в трансформаторе) была создана в 70–80-е годы на основе многочисленных экспериментов на трансформаторах и их моделях, сконструированных и изготовленных с учетом технологии и материалов, применявшихся в то время.

Если добавить к этому, что программа РЭСТ предназначена для расчета электродинамических сил и механических напряжений в обмотках трансформатора, но не для оценки электродинамической стойкости трансформатора в целом, на которую оказывает влияние и ряд других факторов: особенности прессующей системы, некоторые особенности эксплуатации и т.д., то велика вероятность, что в эксплуатации могут оказаться потенциально динамически нестойкие трансформаторы.

После того как трансформатор вышел с завода, возможности повлиять на улучшение его механического состояния резко уменьшаются. Главное на этапе эксплуатации – отслеживание его состояния.

Достоверная информация о текущем состоянии трансформатора особенно актуальна для трансформаторов, длительное время находящихся в эксплуатации, так как позволяет вовремя вывести из эксплуатации трансформатор, до того как изменение его механического состояния станет опасным. С другой стороны, уверенность в отсутствии опасных изменений в состоянии трансформатора может служить основанием для продления сроков межремонтной эксплуатации оборудования, отказа от плановых ремонтных работ.

Методы диагностики

Истинная оценка механического состояния обмоток трансформатора в эксплуатации довольно трудна и не всегда возможна даже при визуальном осмотре активной части.

С учетом перечисленных выше факторов особенно важно развивать средства и методы диагностики механического состояния обмоток трансформаторов в эксплуатации.

В настоящее время для этих целей используются следующие методы диагностики:

• по намагничивающему току в опыте холостого хода;
• по изменению емкости обмоток;
• по изменению полного сопротивления (индуктивности) короткого замыкания Z_К;
• вибрационный анализ;
• анализ низковольтных импульсов (НВИ);
• частотный анализ (МЧА).

Контроль по намагничивающему току является наиболее легким и эффективным способом обнаружения витковых замыканий в обмотках трансформаторов. Поэтому, несмотря на малую чувствительность данного метода к другим видам повреждений обмоток, он находит широкое применение в эксплуатации, дополняя другие методы диагностики.

Контроль по изменению емкости обмоток достаточно широко применяется за рубежом, где многие предприятия имеют стандартную аппаратуру фирм Doble, Tettex и Biddle. Эффективность этого метода зависит от того, насколько сильно изменяются емкости обмоток при изменении их механического состояния. На практике чувствительность метода зависит от вида повреждения; отсутствие результатов первичных измерений вызывает трудности в интерпретации результатов измерений. Метод дает удовлетворительные результаты, когда можно сделать раздельные измерения на каждой фазе и есть возможность сравнения этих результатов, особенно для внутренних обмоток, емкости разных фаз которых очень близки.

Метод нельзя использовать для автотрансформаторов, так как невозможно провести измерения, выделив отдельно емкость внутренних обмоток.

Контроль по изменению сопротивления (индуктивности) КЗ в силу его относительной простоты получил наиболее широкое распространение и применяется в России как при испытаниях трансформаторов на стойкость при КЗ, так и в эксплуатации в соответствии с РД 34.45-51.300-97 [2]. Несмотря на то, что РД предписывает применение данного метода на трансформаторах мощностью 63 МВА и выше на напряжение 110 кВ, фактически в эксплуатации измерения Z_К производятся и на трансформаторах меньшей мощности и напряжения.

Основным недостатком метода является то, что он обладает высокой чувствительностью только к тем видам деформаций обмоток трансформатора, которые приводят к изменению размеров (объема) канала рассеяния. Поэтому, обладая хорошей чувствительностью к потере радиальной устойчивости обмоток (увеличивается объем главного канала рассеяния), метод Z_К может оказаться малочувствительным к другим видам повреждений, например к таким, как полегание проводников/витков, сползание витков регулировочной обмотки, распрессовка обмоток.

Несколько более чувствителен частотный метод определения Z_К, который является развитием метода контроля по изменению сопротивления, но отличается тем, что измерения производятся с использованием источника напряжений, частота которого изменяется от 20 до 600 Гц. Преимуществом данного метода является чувствительность к изменению добавочных потерь, что позволяет обнаружить замыкание параллельных проводников в какой-либо части обмотки, связанное с повреждением изоляции: из-за увеличения сечения проводника возрастают добавочные потери, что и обнаруживается этим методом.

Метод вибрационного анализа в России имеет два направления – методики ВНИИ ТФ (г. Снежинск) и Вибро-Центра (г. Пермь). В основе обеих методик используется анализ частотных характеристик обмоток, чувствительных к изменению усилия запрессовки обмоток, но малочувствительных к различного рода деформациям обмоток, связанным с воздействием токов короткого замыкания. Поэтому применение этих методов предполагает параллельное использование других методов диагностики, описанных ниже.

Метод низковольтных импульсов обладает значительно более высокой чувствительностью практически ко всем видам механических деформаций обмоток. Метод НВИ начал применяться в СССР с начала 70-х годов прошлого века для контроля механического состояния обмоток во время их испытаний на стойкость при КЗ. Все крупные испытательные стенды были оснащены установками типа «Импульс», разработанными в ВЭИ. В дальнейшем модернизированные для мобильного использования диагностические установки «Импульс» разных поколений стали применяться и в ряде электрических сетей, на крупных предприятиях с развитым энергохозяйством для диагностики механических деформаций обмоток силовых трансформаторов и реакторов.

Так, применение установок «Импульс» дало положительные результаты при обнаружении механических деформаций обмоток таких трансформаторов, как ТЦ-1000000/300 («Донбассэнерго»), АТДЦТН-200000/330 («Ленэнерго»), АТДЦТН-200000/220 («Челябэнерго»), ТД-80000/110 и АОДЦТН-167000/500 («Мосэнерго») и других, что позволило своевременно и обоснованно вывести трансформаторы из эксплуатации, предотвратив возможные тяжелые аварии. Последующая разборка подтвердила наличие деформаций обмоток.

Суть метода НВИ состоит в том, что от специального генератора на одну из обмоток (или в нейтраль) трансформатора подается прямоугольный зондирующий импульс низкого напряжения (100–500 В) и одновременно осциллографируются реакции обмоток на воздействие этого импульса – напряжения на измерительных сопротивлениях, подключенных к другим обмоткам. В основе метода заложен принцип последовательного дефектографирования. То есть сначала при первичном дефектографировании на трансформаторе снимаются нормограммы, которые в дальнейшем будут сравниваться с дефектограммами – осциллограммами, полученными при последующих измерениях. Сравнение по определенной методике нормограмм и дефектограмм позволяет оценить состояние обмоток трансформатора. Изменения в дефектограмме по сравнению с нормограммой свидетельствуют о появлении электрических повреждений или механических деформаций. При отсутствии результатов первичного дефектографирования анализ состояния обмоток проводится путем сравнения разных фаз.

К недостатку метода НВИ можно отнести жесткие требования к процедуре измерений, связанные с необходимостью точного воспроизведения измерительной схемы при последующих испытаниях, чтобы обеспечить высокую повторяемость результатов испытаний. В значительной степени это решено в методе частотного анализа.

Метод частотного анализа является развитием метода низковольтных импульсов и имеет два подхода: импульсный и частотный.

В первом случае, как и в методе НВИ, на обмотку трансформатора подается зондирующий импульс низкого напряжения (прямоугольной, стандартной или двойной экспоненциальной формы). Одновременно осциллографируется ток (или напряжение) на измерительных шунтах или трансформаторах, подключенных к другим обмоткам (переходный процесс, возникающий в обмотках как их реакция на воздействие прямоугольного импульса). Осциллограммы приложенного импульса и соответствующего отклика записываются с использованием высокоточных высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей, далее преобразуются в частотную область с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье, затем рассчитывается передаточная функция как отношение спектров входного и выходного сигналов.

Во втором случае измерения производятся непосредственно в частотной области, то есть на ввод обмотки от свип-генератора подается синусоидальное напряжение с амплитудой 10 В, изменяющееся по частоте в широком диапазоне – от нескольких герц до нескольких мегагерц, а с других вводов снимается амплитудно-частотная характеристика – реакция обмоток на приложенное воздействие.

Каждый из двух подходов имеет свои достоинства и недостатки. Так, частотный подход имеет более высокую чувствительность на низких частотах, проще в эксплуатации и интерпретации результатов, но процедура диагностики занимает гораздо больше времени по сравнению с импульсным подходом, что иногда может оказаться неприемлемым. В России оба подхода реализованы в диагностических установках типа «Импульс-9» и «Импульс-10» (ФГУП ВЭИ).

Международное заключение

По заключению рабочей группы СИГРЭ А2.26, специально созданной для разработки Руководства по применению метода частотного анализа [3], по сравнению с остальными данный метод является наиболее чувствительным к обнаружению следующих дефектов/повреждений трансформаторов:

• смещение обмоток и их элементов (катушек, отводов);
• потеря радиальной устойчивости внутренней обмотки;
• сползание витков регулировочной обмотки;
• потеря осевой устойчивости проводников обмотки;
• распрессовка обмоток и магнитопровода;
• замыкание листов магнитопровода, образование короткозамкнутых контуров;
• различные межвитковые / межкатушечные замыкания.

Россия (в лице ФГУП ВЭИ и НТЦ Электроэнергетики), наряду с некоторыми другими странами, с 2004 г. участвует в деятельности рабочей группы СИГРЭ А2.26, целью которой является обобщение опыта применения метода в разных странах, разработка общих принципов, критериев оценки, методики диагностики при сохранении многообразия подходов и инструментов.

На рис. 1–4 приведены некоторые примеры применения метода частотного анализа для обнаружения механических деформаций обмоток силовых трансформаторов, подтверждающие высокую чувствительность метода к различным дефектам: слева – характер повреждения, справа – соответствующие изменения в спектрах (передаточных функциях) обмоток.

Рис. 1. Потеря осевой устойчивости (полегание проводников) [3]

Рис. 2. Потеря радиальной устойчивости внутренней обмотки [3]

Рис. 3. Потеря радиальной устойчивости фольговой обмотки (испытания на стойкость при КЗ, ФГУП ВЭИ)

Рис. 4. Замыкание пластин магнитопровода [3]

В настоящее время рабочая группа МЭК 60076-18 разрабатывает международный стандарт на применение метода частотного анализа, регламентирующий применение измерительных схем, требования к параметрам аппаратуры, учет разнообразных факторов, влияющих на процедуру и результаты измерений, и содержащий конкретные примеры диагностики различных видов повреждений обмоток.

ФСК ЕЭС предполагает на основе данного международного стандарта разработать соответствующий стандарт организации.

Литература

1. Дробышевский А.А. Электродинамическая стойкость силовых трансформаторов и современные способы оценки механического состояния обмоток / Семинар «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования». ПЭИПК. 3–7 июля 2006 г., Санкт-Петербург.
2. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования.
3. Брошюра СИГРЭ № 342. Mechanical condition assessment of transformer windings using frequency response analysis (FRA), WG A2.26, 2008.