Трансформаторно-реакторное оборудование

МОЩНЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР В РОССИИ
Технические и организационные факторы

Александр Хренников, д.т.н., главный эксперт Департамента подстанций ОАО «Федеральная сетевая компания ЕЭС», г. Москва
Роман Мажурин, инспектор технического надзора филиала ОАО «Федеральная сетевая компания ЕЭС» – МЭС Юга, г. Пятигорск

Создание мощного испытательного центра на протяжении многих лет оставалось серьезной проблемой, решение которой требовало масштабных финансовых вложений и организационных усилий.

Недавно в очередной раз эта тема была поднята на XIII Международной научно-технической конференции «Силовые и распределительные трансформаторы, реакторы. Системы диагностики», проходившей 19–20 июня 2012 г. в Москве под патронатом Ассоциации ТРАВЭК.

Ранее о необходимости создания сети государственных испытательных центров говорилось в Протоколе № 4 заседания Совета генеральных и главных конструкторов, ведущих ученых и специалистов в области высокотехнологичных секторов экономики при Председателе Правительства РФ от 07.12.2009.

Недавно появилась информация о том, что руководством ОАО «ФСК ЕЭС» принято решение о строительстве мощного испытательного центра (МИЦ) в РФ, и в настоящее время на согласовании находится техническое задание на выполнение технико-экономического обоснования его строительства.

Данное решение продиктовано необходимостью проведения испытаний мощного электрооборудования, составляющего основу Единой энергетической системы страны, и, тем, что наличие современной испытательной базы во многом определяет надежность работы энергосистем и энергобезопасность страны.

Перед новым испытательным центром стоят чрезвычайно ответственные задачи. В первую очередь его создание позволит повысить надежность работы трансформаторно-реакторного оборудования (ТРЭО).

Высоковольтное электрооборудование (ВЭО) представляет собой сложную систему, состоящую из отдельных устройств, которые трудно поддаются расчету, поэтому испытания – основной способ получить информацию о его характеристиках, свойствах и поведении в различных условиях работы. Соответственно на всех стадиях жизненного цикла ВЭО подвергается испытаниям: исследовательским, при разработке, типовым, приемо-сдаточным, периодическим, на месте монтажа, контрольным и другим.

Одна из важнейших задач, которые должны решаться мощным испытательным центром (МИЦ), – это проверка электродинамической стойкости обмоток силовых трансформаторов при протекании сквозных токов короткого замыкания (КЗ), так как такие испытания служат инструментом для повышения надежности их конструкции и обеспечения бесперебойности электроснабжения потребителей электроэнергии [1–5].

Электродинамические испытания трансформаторов заключаются в создании определенного количества зачетных опытов КЗ (как правило, 5–6) в условиях, 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, а также заключение о результатах испытаний уже после разборки трансформатора на заводе-изготовителе [6–13].

Проблема актуальна и требует к себе пристального внимания, так как повреждение силовых трансформаторов из-за недостаточной электродинамической стойкости обмоток при протекании токов КЗ сегодня не редкость (рис. 1, 2).

Рис. 1.
Повреждение автотрансформатора 267 МВА 500/220/10 кВ. Причина повреждения – КЗ на шинах 10 кВ и недостаточная электродинамическая стойкость. Повреждено также соседнее оборудование: разъединитель, трансформатор тока, воздушный выключатель

Рис. 2.
Повреждение обмотки НН автотрансформатора 167 МВА 500/220 кВ с началом потери электродинамической стойкости. Причина повреждения – брак при производстве обмоточного провода

СОСТОЯНИЕ РОССИЙСКОЙ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ БАЗЫ

В настоящее время в нашей стране электродинамические испытания проводятся весьма ограниченно [6–15].

В советский период проблеме обеспечения электродинамической стойкости к токам КЗ силовых трансформаторов уделялось гораздо больше внимания, чем в настоящий период.

Самыми крупными испытательными базами в бывшем СССР являлись НИЦ ВВА, ВЭИ, НИИВА, «Уралэлектротяжмаш», «Белый Раст». В конце 1970-х гг. был создан мощный испытательный стенд ВЭИ в Тольятти (МИС ВЭИ) для проведения электродинамических испытаний ТРЭО. Это было обусловлено острой необходимостью решения названной проблемы в СССР и внесло большой вклад в повышение надежности проектируемого оборудования.

С учетом непосредственной близости мощных источников, и прежде всего Жигулевской ГЭС, а также развитой сетевой инфраструктуры, оказалось возможным обеспечить на данном стенде мощность КЗ 12–18 ГВА, достаточную для проведения электродинамических испытаний трансформаторов мощностью до 666 МВА, реакторов и другого оборудования на напряжение до 500 кВ и выше.

На МИС ВЭИ были испытаны: блочные трансформаторы типа ТДЦ-400000/220, ОДЦ-333000/750, ТДЦ-250000/220, ТДЦ-80000/110, автотрансформатор типа АТДТН-63000/220/110, сверхмощный трансформатор типа ТЦ-666000/500 для Рогунской ГЭС, трансформатор мощностью 320 МВА для ЛЭП постоянного тока, автотранс-форматоры АТДЦТН-125000/220/110 и АОДЦТНО-167000/500/220 для связи энергосистем 500 и 220 кВ и др.

В связи с развалом СССР, в 1993–1994 гг. прекратилось централизованное финансирование текущей работы и дальнейшего развития МИС ВЭИ. Более того, сначала административно, а затем и реально он был ликвидирован, и испытания на стойкость ТРЭО к воздействию токов КЗ, естественно, на нем были прекращены (рис. 3). Решению проблемы электродинамических испытаний ТРЭО это нанесло непоправимый урон.

Рис. 3.
Текущее состояние МИС ВЭИ:
а) В здании преобразовательных устройств полностью демонтированы высоковольтные тиристорные вентили и другое оборудование;
б) На открытой части стенд 1150 кВ, ОРУ 500 кВ, БСК, промежуточные трансформаторно-реакторные группы и другое оборудование полностью демонтированы. Остались здание ПУ и ТМХ, ОРУ 110 кВ для электроснабжения жилого района г. Тольятти

a)

б)

Как говорилось в [1], в последние годы «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».

Однако в настоящее время ситуация с испытаниями на стойкость к токам КЗ улучшается и на базе наиболее мощного существующего генераторного стенда ОАО «НИЦ ВВА» прошли испытания силовые трансформаторы мощностью от 25 до 63 МВА [14, 16, 17].

Например, трансформатор нового поколения ТРДНС-32000/35-У1, разработанный и изготовленный производственным комплексом Холдинговой компании «ЭЛЕКТРОЗАВОД» в Москве, успешно прошел электродинамические испытания в 2008 г. Трансформатор мощностью 32 МВА на напряжение 20 кВ разработан специально для филиалов ОАО «ОГК-1».

Необходимо также отметить и негативные моменты в состоянии этого стенда. Его оборудование имеет значительный моральный и физический износ. Два генератора типа ТИ-100 произведены на заводе «Электросила» в 1964 г., а генератор ТИ-75 изготовлен в Германии в 1940-х гг. Кроме того, разрушены подъездные пути для перекатки трансформаторов от железнодорожной ветки.

Практически на этом стенде сегодня могут испытываться только трансформаторы трехфазной мощностью до 40–63 МВА [14, 17].

ОПЫТ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ЦЕНТРОВ

В области электродинамических испытаний ТРЭО наиболее известные и передовые в техническом отношении мировые испытательные центры – это исследовательский центр EDF в г. Ренардье (Франция), КЕМА (Голландия), CESI (Италия) и др. [4, 5].

Так, в [4] приводится обобщение результатов испытаний токами КЗ силовых трансформаторов в лаборатории КЕМА за последние 13 лет. Всего испытано 102 трансформатора мощностью свыше 25 МВА. Исследования КЕМА показали, что в ходе испытаний на соответствие стандарту МЭК в части требований электродинамической стойкости при первоначальных опытах были повреждены 28% трансформаторов различной мощности (25–440 МВА, 20–500 кВ).

В странах с динамично развивающейся экономикой также строятся мощные испытательные стенды. Например, в Индии действует испытательный стенд в г. Бангалор для проверки электрооборудования на стойкость к токам КЗ. Возможности этого стенда позволяют испытывать силовые трансформаторы мощностью до 333 МВА в однофазном исполнении и выключатели напряжением 220–400 кВ на первом этапе и до 765 кВ в дальнейшем. Именно здесь прошел испытания однофазный автотрансформатор мощностью 40 МВА для электроснабжения олимпийских объектов г. Сочи (установлен на ПС 220 кВ «Поселковая»).

В Китае на стенде электродинамических испытаний в г. Ксихар могут проводиться испытания силовых трансформаторов мощностью до 300 МВА.

Опыт современных зарубежных МИЦ необходимо принимать во внимание при организации МИЦ РФ.

ТЕХНИЧЕСКИЕ И ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

Принимая решение о строительстве нового МИЦ в РФ, необходимо учитывать следующие технические и организационные факторы:

• наличие близко расположенного источника генерации с достаточной величиной мощности КЗ (SКЗ);
• возможность заключения соглашений между ТГК, ФСК ЕЭС и 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, вызывая падение напряжения в момент опыта КЗ (например, на МИС с 500 кВ почти до 200 кВ), запуск релейных защит, запуск форсировки возбуждения генераторов в момент КЗ, опасность нарушения устойчивости системы в целом и другие проблемы;
• принятие на уровне ФСК ЕЭС отраслевых стандартов, регламентирующих проведение натурных электродинамических испытаний вновь проектируемого ТРЭО, а не подтверждение его стойкости к токам КЗ расчетными методами;
• заинтересованность заводов-изготовителей силовых трансформаторов в проведении натурных испытаний и в появлении испытательного стенда на минимальном расстоянии от производства, чтобы снизить расходы на перевозку головных образцов трансформаторов;
• наличие подходящей территории и инфраструктуры, в том числе железной дороги для перевозки трансформаторов;
• наличие квалифицированного персонала (может оказаться, что это важнейший фактор, так как предпринятая в 1990-е гг. попытка возрождения МИС в Тольятти показала невозможность возвращения персонала после нескольких лет отсутствия заказов на испытания);
• достаточно близкое расположение научных центров в области электроэнергетики и электротехники для решения сложных технических проблем, возникающих в ходе испытаний, и для оказания научно-методической помощи;
• необходимость значительных финансовых вложений в организацию и обеспечение электродинамических испытаний силовых трансформаторов и др.

Необходимо также определить организационную структуру будущего МИЦ. Для выполнения эффективных и полномасштабных исследований на испытательном стенде необходимо создать и обеспечить совместную работу следующих подразделений:

• расчетов режимов КЗ;
• 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;
• обслуживания высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ), которые будут использованы в режиме тиристорного ключа;
• 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 высоковольт-ных вводов и др. [14–27].

По мнению авторов, принятое в настоящее время решение ФСК ЕЭС о строительстве МИЦ должно быть поддержано Министерством энергетики РФ, энергетическими компаниями и крупными производителями трансформаторного оборудования. Речь идет также о расширении возможностей проведения электродинамических испытаний на стенде НИЦ ВВА, о поиске альтернативного варианта сетевого стенда, аналогичного демонтированному стенду МИС в Тольятти, или о строительстве нового испытательного стенда.

Например, в [9] рассмотрена в качестве альтернативы стендам НИЦ ВВА и демонтированному МИС возможность организации испытательного стенда на площадке ПС 750 кВ «Белый Раст» Московского ПМЭС, а также на ПС 750 кВ «Опытная» Валдайского ПМЭС, которая находится на расстоянии всего в 430 м от Конаковской ГРЭС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.180.01.116-2012. Инструкция по эксплуатации трансформаторов.
2. РД 153-34.0-20.527-98. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Под науч. ред. Б.Н. Неклепаева М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002.
3. Хpенников А.Ю. Некоторые вопросы электродинамических испытаний мощных силовых трансформаторов на стойкость токам КЗ // Электричество. 2007. № 12. С.15–18.
4. Смитс Р.П.П., Тэ Паске Л.Х. Испытания силовых трансформаторов большой мощности на стойкость при КЗ // Энергоэксперт. 2009. № 4.
5. Bertagnolli G. Short-Circuit Duty of Power Transformers / ABB Management Services Ltd Transformers. 3rd revised edition. Zurich, 2006.
6. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. М.: Энергия, 1981. 392 с.
7. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. Л.: Энергия, 1970. 432 с.
8. Хpенников А.Ю. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ // Промышленная энергетика. 2007. № 8. С.21–27.
9. Хренников А.Ю. Силовые трансформаторы. Проблемы электродинамической стойкости // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 6(54). С.32–35.
10. Хренников А.Ю. Силовые трансформаторы. Методы диагностики механического состояния обмоток // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 3(57). С.43–45.
11. Хренников А.Ю. Проблема электродинамической стойкости силовых трансформаторов // Промышленная энергетика. 2008. № 9. С.12–16.
12. Хpенников А.Ю. Основные причины повреждения обмоток силовых трансформаторов при коротких замыканиях // Электричество. 2006. № 7.
13. Хpенников А.Ю., Шифрин Л.Н. Сверхмощный трансформатора типа ТЦ-666000/500 – конструктивные решения, испытания на стойкость к токам короткого замыкания, расчеты токов КЗ // ЭЛЕКТРО. 2005. № 5.
14. Малышев А.В. «Нужно возрождать российские испытательные центры // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 4(52).
15. Хренников А.Ю. Опыт обнаружения остаточных деформаций обмоток силовых трансформаторов // Энергетик. 2003. № 7.
16. Силовые трансформаторы. Справочная книга // Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина, М.: Энергоиздат, 2004. 616 с.
17. Горшунов В.Ю., Капустин Д.С. Электродинамическая стойкость силовых трансформаторов недостаточна // Новости ЭлектроТехники. 2003. № 3(21).
18. Электродинамическая стойкость трансформаторов и реакторов при коротких замыканиях: Сб. статей / Под ред. А.И. Лурье / Труды ВЭИ. М.: Знак, 2005.
19. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г. Техническая диагностика, повреждаемость и ресурсы силовых и измерительных трансформаторов и реакторов: Монография. М.: Энергоатомиздат, 2007. 286 с.
20. Лех В., Тымински Л. Новый метод индикации повреждений при испытании трансформаторов на динамическую прочность // Электричество. 1966. № 1.
21. Хренников А.Ю. Контроль механического состояния обмоток силовых трансформаторов методами низковольтных импульсов и частотного анализа // Промышленная энергетика. 2009. № 3. С.9–12.
22. Хренников А.Ю., Чичинский М.И. Рекомендации по расследованию технологических нарушений, диагностике и выявлению повреждений маслонаполненных силовых и измерительных трансформаторов. М.: ИПКгосслужбы, 2008. 38 с.
23. Хренников А.Ю. Метод оценки состояния обмоток силовых трансформаторов по значению сопротивления КЗ // Промышленная энергетика. 2010. № 2. С.16–21.
24. Хренников А.Ю. Методы низковольтных импульсов и частотного анализа для контроля механического состояния обмоток силовых трансформаторов // ЭЛЕКТРО. 2007. № 2.
25. Хренников А.Ю., Шлегель О А. Контроль состояния активной части трансформатора типа ТДЦ-400000/220 в ходе электродинамических испытаний на МИС г. Тольятти: Деп. в Информэлектро. 1997. № 3-Э97. 24 с.
26. Хpенников А.Ю. Проверка надежности конструкции и электродинамические испытания силового трансформатора мощностью 250 МВА напряжением 220 кВ // Известия вузов. Проблемы энергетики. Казанский государственный энергетический университет. 2008. № 1–2.
27. Хренников А.Ю., Таджибаев А.И. Методы оценки состояния силовых маслонаполненных трансформаторов на основе контроля геометрии обмоток: Монография. СПб.: ПЭИПК, 2005. 50 с.