Трансформаторное оборудование

Замена или ремонт трансформатора с предаварийными характеристиками предотвращает его внезапное повреждение, позволяя тем самым избежать значительных, не покрываемых страховкой потерь в результате аварии и возможного пожара.
Для предупреждения аварийных отказов оборудования необходимо своевременно выявлять возникающие в нем дефекты. О некоторых методах диагностики силовых трансформаторов рассказывают наши московские авторы.

ПОВРЕЖДЕНИЕ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Способы предотвращения

Александр Жуков, главный инженер
Михаил Корнев, начальник лаборатории
Сергей Цветаев, к.ф.-м.н., ведущий инженер
ОАО «Завод по ремонту электротехнического оборудования» (ОАО «Завод РЭТО»), г. Москва

Предаварийные характеристики определяются оперативно (контроль температуры, внешний осмотр, физико-химический анализ масла, хроматографический анализ растворенных в масле газов, измерение электрических характеристик), а также при более тщательном обследовании путем измерения степени полимеризации бумаги, измерения смещения обмоток или по наличию в обмотке коллоидных металлических частиц [1].

Перечисленные методы контроля дают общую оценку, однако повреждение всегда развивается в конкретном месте, которое можно определить, так как перед внутренним коротким замыканием всегда возникают разрядные процессы. Разряды (частичные или искровые) излучают акустические и электромагнитные волны и могут быть обнаружены акустическим и электромагнитным (радиочастотным) методами. Эти методы развиваются в последние десятилетия и применяются как при заводских испытаниях, так и при техническом освидетельствовании или мониторинге силовых трансформаторов.

Акустическое и электромагнитное обследования силового трансформатора не отличаются трудоемкостью и проводятся примерно в течение часа.

АКУСТИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ

При акустическом обследовании [2] измерения проводятся с помощью устанавливаемых путем магнитного крепления на бак акустических датчиков с частотным диапазоном 60–150 кГц, чувствительностью 100 мВ/Па. Этот диапазон ультразвука, близкий к слышимому, выбран из-за того, что в слышимом диапазоне трансформатор создает сильный шум, на фоне которого звуки разрядов не слышны.

Шум трансформатора значительно уменьшается в ультразвуковом диапазоне, и звуки разрядов становятся больше шума на частотах выше 60 кГц. Вблизи разряда его звук возникает в широкой полосе частот до 1 МГц, но их высокочастотная составляющая затухает при распространении в масле трансформатора, поэтому верхнюю частоту рабочей полосы частот датчика выбирать выше 200 кГц нецелесообразно.

Акустический метод не дает точных значений величин разрядов (принято измерять их в пКл). Однако сигнал от предаварийных разрядов в 1000 раз больше, чем от начальных и, если из-за условий распространения он затухает и становится в 10 раз слабее, он всё равно остается значительным.

В качестве регистрирующего устройства используется осциллограф или ультразвуковой модератор «Дельфин», который позволяет провести запись сигналов за 40 мс с частотой дискретизации 800 кГц и затем в 100 раз медленнее (за 4 секунды) воспроизвести эту запись. Для хранения результатов измерений используется МР3-плеер и переносной компьютер.

При обследовании датчики последовательно устанавливаются через 30–40 см по периметру трансформатора на разных уровнях по высоте (через 40–50 см). В каждой точке записывается осциллограмма ультразвуковых сигналов за два периода сетевой частоты или прослушивается замедленный звук датчика.

Опыт показал, что акустические сигналы могут иметь происхождение, не связанное с разрядами, например, стук в маслонасосах, виброудары незакрепленных деталей на трансформаторе, корона в воздухе на вводах, шум вентиляторов, вибрация магнитопровода. Поэтому по частотному спектру акустических сигналов, привязке их к фазе напряжения, амплитуде и стабильности проводится классификация вида дефекта.

Сигналы от разрядов имеют высокочастотный спектр, возникают дважды за период сетевого напряжения, нестабильны по амплитуде, коротки по длительности. На слух замедленные звуки разрядов – это щелчки, следующие обычно через каждую секунду. Спектр акустического сигнала определялся с помощью программы Sound Forge путем текущего преобразования Фурье.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ (РАДИОЧАСТОТНОЕ) ОБСЛЕДОВАНИЕ

При радиочастотных измерениях разрядных процессов измерения проводятся с помощью прибора PDS100 (Partial Discharge Surveyor) фирмы DOBLE. Принцип работы PDS100 заключается в измерении (сканировании) электромагнитного излучения от возможных источников разрядов на объекте (частичных, искровых, коронных и т.п.) в частотном диапазоне 50–1000 МГц. PDS100 отличается от других сканеров, например фирмы AGILENT, наличием пикового детектора для регистрации коротких сигналов, которые возникают при разрядах.

Полученные результаты измеренной интенсивности электромагнитного излучения сравниваются с фоновым излучением на некотором удалении от объекта контроля. Первое сканирование электромагнитного поля (черная кривая на рис. 1) проводится при входе на распредустройство, остальные под различными вводами трансформатора. Электромагнитный метод также не дает точных значений величин разрядов в пКл, но он позволяет уверенно установить наличие разрядов. Критерий наличия разрядов – подъем интенсивности излучения во всем спектре или в его части. Таким методом исключается влияние случайных радиопомех, например от мобильных телефонов, работающих на одной частоте.

ПРИМЕРЫ

Приведем два примера, в которых рассмотрим аварию, которую можно было бы предотвратить, и предотвращенную аварию.

Трансформатор типа ТМ 6300/35 за год до окончательного повреждения отключился газовым реле. После отключения концентрация растворенного в масле ацетилена превышала граничное значение в 18 раз, а водорода – в 1,3 раза. После дегазации масла все технические характеристики трансформатора и масла соответствовали норме. Измерения акустическим и электромагнитным методами показали отсутствие разрядных процессов.

Перед окончательным повреждением концентрация растворенного в масле ацетилена превышала граничное значение в 3,5 раза. За неделю до аварии электромагнитное излучение со стороны ВН превышало фон на 30 дБ в диапазоне 200–500 МГц и на 15 дБ в диапазоне 500–1000 МГц (рис. 1).

Рис. 1. Электромагнитное излучение в районе предаварийного трансформатора

При акустическом обследовании максимальный акустический сигнал амплитудой до 10 Па на частотах 60–130 кГц наблюдался на средней высоте бака под вводом 35 кВ фазы В (рис. 2).

Рис. 2. Осциллограмма за 40 мс (вверху) акустического сигнала под вводом 35 кВ фазы В.

Внизу – текущий спектр акустического сигнала за 40 мс, амплитуда передается цветом от синего к красному в диапазоне от –50 до 0 дБ

К сожалению, не были приняты экстренные меры по отключению трансформатора, и через неделю после этих измерений произошло его повреждение (фото 1). Внутреннее короткое замыкание произошло из-за пробоя изоляции отвода переключателя ПБВ на обмотку фазы В. При своевременном осмотре активной части этот дефект мог быть обнаружен и устранен. Предвестники пробоя – это частичные разряды, разрушившие бумажно-масляную изоляцию.

Фото 1. Место повреждения трансформатора

Следующий случай произошел с трансформатором типа ТДТН-25000/110. В течение месяца концентрация растворенного в масле водорода выросла и превышала граничное значение в 1,3 раза, метана – в 3,3 раза, этана – в 2 раза, этилена – в 5 раз. Электрические измерения не выявили отклонений от норм. При акустическом обследовании обнаружен ряд зон с повышенным уровнем акустической активности (фото 2).

Фото 2. Фото трансформатора (а) и зоны 3-III в районе дефекта (б)

На рис. 3 приведена осциллограмма (вверху) и спектр максимального акустического сигнала, обнаруженного в точке 3-III (внизу). Высокочастотный сигнал (красные точки на спектре) до 130 кГц повторяется дважды за полпериода сети. Амплитуда сигнала 1,5 В. Этот сигнал в верхней части бака между фазами А и В со стороны ВН вызван разрядами. Если бы это был частичный разряд, то его величину можно было бы оценить как 100000 пКл. Разряды такой величины являются аварийными. Звук разрядного процесса соответствует плохому контакту.

Рис. 3. Осциллограмма и спектр акустического сигнала с поверхности бака трансформатора в секторе 3-III

На рис. 4 приведены графики зависимости от частоты интенсивности электромагнитного сигнала в децибелах при записи на стороне ВН под вводом фазы А (желтая кривая), под вводом фазы В (зеленая кривая) и под вводом фазы С (красная кривая), а также под вводами НН (коричневая кривая). Из рисунка видно, что в районе трансформатора наблюдается излучение выше фонового. Интенсивность электромагнитного излучения вблизи бака трансформатора в диапазоне частот 200–800 МГц превышает фоновое излучение на 10–20 дБ.

Рис. 4. Осциллограмма и спектр акустического сигнала с поверхности бака трансформатора в секторе 3-III

В результате акустического и электромагнитного обследования установлено, что в верхней части бака со стороны ВН между фазами А и В обнаружены акустические сигналы, свидетельствующие о наличии в активной части источника электрических разрядов, связанных с подгорающим контактом. Было решено провести осмотр нижних частей вводов трансформатора. Оказалось, что подгорает контактное соединение ввода Bm СН. Максимальный звук от разряда в этом соединении был со стороны ВН (рис. 5).

Рис. 5. Вид трансформатора сверху

Разряд в контакте был искровым (близким к дуговому), а звук от него по величине близок к аварийному частичному разряду. На рис. 6 приведены графики морфологического анализа звуков частичного разряда и искрового разряда при обработке этих звуков программой распознавания звуков разрядов [3]. Программа уверенно определила искровой разряд (отклик более 0,7) и указала на частичный (отклик более 0,3).

Рис. 6. Распознавание звуков разрядов. Частичный разряд – слева, искровой – справа

ВЫВОДЫ

1. Своевременный осмотр активной части при знании места разрядного процесса позволяет предотвратить повреждение силового трансформатора.
2. Установить наличие разрядных процессов в трансформаторе и определить места их возникновения можно акустическим и радиочастотным методами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Львов М.Ю. и др. О снижении риска повреждений силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, сопровождающихся внутренними КЗ // Электрические станции. 2014. № 9.
2. Цветаев С.К. Акустические сигналы и аварийность высоковольтного энергооборудования // Новое в российской электроэнергетике. 2011. № 4.
3. Чуличков А.И., Цыбульская Н.Д., Цветаев С.К., Сурконт О.С. Классификация акустических сигналов разрядных процессов в изоляции на основе формы их вейвлет-спектров // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика и астрономия. 2009. № 2.