Трансформаторное оборудование

Силовые трансформаторы высших классов напряжения – одни из наиболее ответственных и дорогостоящих элементов в системах выработки, передачи и распределения электроэнергии. Контроль и оценка их состояния стали в последние годы особенно актуальны, что связано в первую очередь с постепенным старением парка оборудования.
Старение может привести к резкому росту числа повреждений трансформаторов. Этого можно избежать, если применить системы непрерывного контроля, считает Александр Евгеньевич Монастырский.

Александр Монастырский,
к.т.н., СПбГПУ,
г. Санкт-Петербург

СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Современные принципы построения систем непрерывного контроля

В настоящее время в генерирующих и сетевых предприятиях количество трансформаторов, эксплуатирующихся с превышением нормативного ресурса, превосходит в среднем 60%, а в некоторых достигает 96%, с постоянной тенденцией к увеличению этого значения. Тенденция обусловлена целым рядом причин. Мощное энергетическое строительство в период 1965–1990 гг. потребовало поставить в эксплуатацию огромное количество трансформаторов. Сейчас эти трансформаторы отработали нормативный ресурс, но заменить их на новые невозможно в силу экономических и производственных причин и нецелесообразно, поскольку их физический ресурс остается еще весьма большим. Вместе с тем эксплуатация трансформаторов с большим сроком службы имеет существенные особенности.

Анализ аварийности силовых трансформаторов показывает, что отказы, связанные с выработкой физического ресурса, составляют по разным источникам только 7–20%. Остальные отказы обусловлены появлением и развитием в трансформаторах различных видов дефектов, основная масса которых при своевременном выявлении могла бы быть устранена. Поэтому основной задачей при эксплуатации трансформаторов является своевременное выявление появившихся дефектов на ранних стадиях развития и их устранение.

Для решения этой задачи в предыдущие годы была разработана система периодического контроля, нашедшая отражение в РД 34.45-51.300-97 «Объемы и нормы испытаний электрооборудования». В соответствии с этим документом минимальный период контроля силовых трансформаторов составляет 6 месяцев для нормально работающего трансформатора. Очевидно, что периодичность контроля должна определяться временем развития дефекта, т.е. должна быть существенно меньше.

«Молодые» трансформаторы

Действительно, наибольшее количество дефектов, появляющихся в трансформаторах с малым сроком эксплуатации («молодые» трансформаторы), развиваются годами – так называемые «медленные» дефекты. По оценкам, их количество в «молодых» трансформаторах составляет порядка 75%, и именно для них разрабатывалась система периодического контроля. Однако, кроме медленно развивающихся дефектов, в трансформаторах существуют дефекты, которые развиваются в течение нескольких месяцев, а также дефекты, время развития которых измеряется сутками и даже часами, т.н. внезапные отказы. Система периодического контроля практически не в состоянии своевременно выявлять эти дефекты, но, учитывая, что их количество для «молодых» трансформаторов не превышает 25%, с этим приходилось мириться.

Старые трансформаторы

По мере увеличения срока эксплуатации количество быстро развивающихся дефектов и внезапных отказов в трансформаторах увеличивается, и для трансформаторов, которые работают 30 лет и больше (старые трансформаторы), количественное соотношение дефектов выглядит примерно следующим образом: 40% – медленно развивающиеся дефекты, 40% – быстро развивающиеся дефекты, 20% – внезапные отказы. Очевидно, что для таких трансформаторов существующая система периодического контроля оказывается неудовлетворительной.

Допустимая рабочая напряженность

Ситуация с надежностью силовых трансформаторов усугубляется еще тем обстоятельством, что по мере развития отечественного трансформаторостроения основной параметр, определяющий физический ресурс трансформаторной изоляции, – допустимая рабочая напряженность в середине первого масляного канала постоянно увеличивалась. В сороковые годы прошлого века она была принята с запасом для тех устройств – 3,5 кВ/мм. В пятидесятые годы она была увеличена до 4 кВ/мм, в шестидесятые – до 4,5 кВ/мм и к восьмидесятым годам достигла значения 5,5 кВ/мм. Длительные исследования ресурсных характеристик трансформаторной изоляции, проведенные в ведущих отечественных лабораториях – ВИТ, ВЭИ, ЛПИ, показали, что последнее значение соответствует физическому ресурсу 30–35 лет. А зависимость ресурса от допустимой напряженности подчиняется степенному уравнению с показателем степени ~40. Понятно, что даже небольшое снижение допустимой рабочей напряженности приводит к существенному увеличению физического ресурса. Чем раньше выпускался трансформатор, тем большие запасы по ресурсу он имел.

В настоящее время мы приближаемся к рубежу, когда трансформаторы, выпущенные в восьмидесятых годах прошлого века, подходят к выработке физического ресурса. Трансформаторы, выпущенные в семидесятых годах, имели запасы, но они отработали на 10 лет дольше и подступают к этому же рубежу.

Таким образом, если в ближайшие годы не будет решена задача своевременного (на ранних стадиях) выявления и устранения дефектов в трансформаторах, их аварийность будет лавинообразно нарастать.

Требуемый контроль параметров

Единственным кардинальным решением этой проблемы является использование систем непрерывного контроля, которые позволяют выявлять даже внезапные отказы. Но поскольку широкое внедрение таких систем является достаточно затратным, необходимо минимизировать затраты без снижения эффективности контроля. Для решения этой задачи нужно выбрать минимально необходимый набор контрольных параметров силовых трансформаторов, позволяющий выявить любой вид дефектов, появляющихся в трансформаторе.

Для трансформаторов высших классов напряжения (110 кВ и выше) «катастрофические» отказы (под ними понимаются отказы, приводящие либо к утилизации, либо к дорогостоящему ремонту) связаны в основном с повреждением изоляции. Для надежного выявления дефектов в изоляции необходимо контролировать сравнительно небольшую группу параметров:

• электрическую прочность масла;
• газы, растворенные в масле;
• диэлектрические характеристики основной изоляции высоковольтных вводов;
• частичные разряды в основной изоляции и изоляции вводов.

К сожалению, прямой контроль электрической прочности масла достаточно сложен, поэтому необходимо контролировать параметры, определяющие электрическую прочность масла: появление в масле эмульгированной влаги и механических примесей. Контроль механических примесей можно проводить фотометрическим методом, а появление эмульгированной влаги можно выявлять либо определением точки росы – прямое измерение, либо косвенно, путем измерения влажности твердой изоляции и температуры.

Практически любые дефекты, появляющиеся в трансформаторе, сопровождаются выделением газов, растворяющихся в масле. На этом принципе основывается мощный диагностический инструмент – хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ). Однако для некоторых видов дефектов, связанных с развитием на начальной стадии маломощных частичных разрядов, ХАРГ обладает существенным запаздыванием. Поэтому система должна позволять контролировать изменение характеристик частичных разрядов, свободных от этого недостатка. Стоимость наиболее простых систем, обеспечивающих контроль перечисленных параметров, составляет 350–400 тыс. руб., что составляет менее 1% от стоимости трансформатора мощностью 40 тыс. кВ·А.

Системы для более мощных трансформаторов могут оснащаться измерителями дополнительных параметров, которые связаны с удобством эксплуатации и возможностью регулирования ресурса. К ним относятся: контроль вибраций, параметр сопротивления короткого замыкания Z_к, контроль РПН, контроль и управление системой охлаждения трансформатора и др. Стоимость таких систем увеличивается по сравнению с простейшими на порядок и более, поэтому экономически целесообразно их применять для трансформаторов мощностью 400 тыс. кВ·А и более.

Особое место занимают системы, предназначенные для получения информации о процессах, развивающихся в трансформаторах в условиях эксплуатации, с целью совершенствования конструкции и оптимизации режимов работы трансформаторов. Заинтересованы в них в первую очередь производители трансформаторов. Эти системы являются наиболее дорогими и включают в себя, помимо вышеуказанного:

• контроль распределения температуры вдоль обмотки;
• контроль состояния магнитной системы;
• контроль изменения геометрии обмоток;
• более мощные измерители характеристик частичных разрядов и др.

К сожалению, такие системы появляются пока только у зарубежных производителей. Они не только решают задачи получения информации об аппарате, но и управляют режимами работы трансформатора, фиксируют историю работы, составляют аналитические прогнозы по остаточному ресурсу, выполняют различные вспомогательные функции.

Их разработка нацелена на перспективу создания «интеллектуальных» трансформаторов, не требующих участия человека в эксплуатации. Стоимость столь сложных систем весьма высока, однако она должна окупаться отсутствием эксплуатационных затрат, продлением ресурса трансформаторов, повышением надежности энергоснабжения. Такие подходы сейчас активно развиваются в мире в виде технологий Smart Grid – полностью автоматизированного энергоснабжения.

Следует отметить негативную тенденцию, наблюдаемую при внедрении систем непрерывного контроля силовых трансформаторов. Как было показано выше, наиболее необходимы такие системы для старых трансформаторов. В то же время этими системами сейчас оборудуются в основном новые трансформаторы, для которых они станут необходимыми через 20–30 лет. Связано это, по-видимому, с организационными причинами распределения средств по статьям: проще выделить средства при приобретении нового оборудования, чем для обеспечения эксплуатации старого. Тенденция эта порочна, и ее надо преодолевать.

Заключение

Исходя из изложенного, следует признать, что основной задачей для обеспечения надежной работы парка силовых трансформаторов является широкое внедрение наиболее простых и дешевых систем непрерывного контроля на максимальном количестве старых трансформаторов. Одновременно с этим целесообразно для наиболее мощных и ответственных трансформаторов применять системы с дополнительными функциями. Что же касается применения наиболее сложных систем, то их реализацию должны взять на себя заводы-изготовители.