УДК 621.315.615
Г. С. Кучинский, Ю. Н. Калентъев, Е. И. Миронова (ЛПИ имени М. И. Калинина), А. Г. Левит, О. Н. Гречко (НИИПТ)
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАРЕНИЯ МАСЛОБАРЬЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Для маслобарьерной изоляции (МБИ) трансформаторов можно в качестве предельных (с точки зрения надежности) рассматривать следующие ее состояния: частичная или полная потеря электрической прочности изоляции; ухудшение характеристик масла до уровня, при котором дальнейшая эксплуатация трансформатора либо невозможна из-за опасности потери электрической прочности его изоляции либо возможна при введении ряда ограничений, в частности по нагрузке.
Задачей настоящей работы являлось изучение динамики изменения различных характеристик МБИ в процессе старения при длительном действии на нее основных эксплуатационных факторов, предопределяющих ее старение, - электрического напряжения, тепла и времени их воздействия. В качестве объекта испытаний использовались цилиндрические образцы маслобарьерной изоляции с гладкими изолированными электродами, моделирующие масляный канал, прилегающий к средней части обмотки. Соотношение объемов твердой изоляции и масла составляло 1 : 8. После термовакуумной обработки и пропитки маслом ТКп модели увлажнялись во влагокамере до влажности твердой изоляции 1,5-2% масс. Все модели были разбиты на 6 групп, отличающихся значениями воздействующих факторов: напряженности электрического поля в середине масляного канала и температуры. Общая длительность испытания составляла 3000 ч. Контроль характеристик масла (кроме влажности и пробивного напряжения) осуществлялся путем отбора проб из каждой модели через 300, 700, 1500 и 3000 ч после начала испытания; характеристики твердой изоляции, а также влажность и пробивное напряжение масла определялись до и после испытания.
В качестве характеристик, по которым контролировалось состояние изоляции в процессе испытания, использовались: тангенс угла диэлектрических потерь масла при 20 °С и 90 °С (tg δ ), кислотное число (Кч), оптическая плотность масла Д относительное светопропускание S, поверхностное натяжение о, показатель полярности Де, состав и концентрация растворенных в масле газов, влажность и пробивное напряжение масла, влажность и средняя степень полимеризации твердой изоляции (на части моделей).
Таблица 1
В результате испытаний был получен большой массив опытных данных, отличающихся значительным разбросом, а по ряду характеристик сравнительно небольшими различиями начальных и конечных значений. Эго затруднило как анализ результатов, так и формирование выводов при непосредственном использовании опытных данных. Поэтому в работе была предпринята попытка их предварительной статистической обработки. В первую очередь была произведена проверка гипотезы
о несущественности различий средних значений ряда характеристик масла для отдельных экспериментальных режимных групп моделей [ 1 ] . Оказалось, что в группах с одинаковой температурой, но разными напряженностями к концу испытания у большинства характеристик различия средних несущественны. Эго послужило основанием объединить данные по входящим в соответствующие экспериментальные режимные группы моделям в следующие условные группы: температура 80 °С, напряженность 4,4 и 5,5 кВ/мм (условное обозначение группы - 80/5); температура 40°С, напряженность 4,4 и 5,5 кВ/мм (условное обозначение группы - 40/5). Результаты статистической проверки гипотезы о несущественности различий средних значений характеристик масла для групп 80/0, 80/5 и 40/5 приведены в табл. 1, в которой буквой Н обозначено несущественное расхождение (гипотеза о равенстве средних справедлива), а С - существенное расхождение (гипотеза о равенстве средних не подтверждается). Из табл. 1 следует, что повышение температуры от 40 до 80 °С сказывается на состоянии масла более заметно, чем воздействие электрического поля с напряженностью 4,4-5,5 кВ/мм, когда в изоляции нет частичных разрядов опасной для нее интенсивности. Действительно, различия средних значений всех характеристик масла, обусловленные влиянием напряженности поля, к концу испытания становятся несущественными. Исключение составляет концентрация водорода, которая отличается даже у групп моделей с близкими значениями напряженности при температуре 80 °С и в этом, безусловно, сказывается влияние электрического поля на старение масла. Различие в поведении всех характеристик масла по сравнению с концентрацией Н,, вероятно, объясняется тем, что они обладают меньшей чувствительностью к воздействию электрического поля.
Для того, чтобы при существующей чувствительности методов измерения этих характеристик зафиксировать их изменения под влиянием электрического поля на фоне повышенной температуры, нужно увеличить длительность испытания. С другой стороны, известно, что электрическое старение МБИ, как и многих других видов изоляции, достаточно хорошо описывается соотношением т = АЕ~п, где т - время;
Таблица 2
Е - напряженность поля; А ни- постоянные при данной температуре коэффициенты. По данным разных авторов (отечественных и зарубежных) для МБИ коэффициент и составляет 15-80, т. е. намного больше, чем для всех других применяемых в высоковольтном электрооборудовании видов изоляции и, следовательно, процесс электрического старения в МБИ идет очень медленно. Между тем степень теплового старения, как известно, удваивается при повышении температуры МБИ на каждые 6 °С. Наконец, следует учесть, что объем масла в модели, находящийся под воздействием средней (и большей) напряженности поля, значительно меньше того, на который воздействует повышенная температура. Все эти обстоятельства должны быть приняты во внимание при анализе данных табл. 1. Высокая чувствительность такой характеристики, как концентрация водорода в масле, делает ее важным диагностическим фактором при регистрации ранних стадий старения масла, в том числе электрического старения, как при длительных испытаниях изоляционных систем с маслом, так и при их эксплуатации.
Структура экспериментальных режимных групп дает возможность обработать опытные данные по планам полного факторного эксперимента, в том числе:
а) по плану 2+3 (2-уровневый 3-факторный план) - группы с факторами: температура 40-80 °С, напряженность электрического поля 4,4-5,5 кВ/мм, время 0-3000 ч;
б) по плану 2+2(2-уровневый 2-факторный план) - группы с факторами: напряженность электрического поля 0-5,5 кВ/мм, время 0- 3000 ч, постоянная температура 80 °С; в) по плану 2г — группы с факторами: температура 40-80 °С, время 0-3000 ч, постоянная напряженность поля 5,5 кВ/мм; г) по плану 1? - группы с факторами: температура 60-80°С, время 0-3000ч, напряжённость поля равна нулю. Для такого анализа опытных данных [2] в указанных выше вариантах обработки в качестве модели процесса принимается уравнение линейной регрессии. Следует, однако, отметить, что имеющиеся опытные данные не позволяют проверить гипотезу о линейности модели процесса.
Рис. Характеристика масла в моделях режимной группы 80/5,5 1 — tg δ при 90 °С; 2 — кислотное число Кч; 3 — поверхностное натяжение а\ 4 — концентрация СО,; 5 — показатель полярности Де; 6 — оптическая плотность D\ 7 — относительное с вето про пускание
Результаты расчетов по планам ”а”-”г” представлены в табл. 2. В ней знаком ’’плюс” отмечены статистически значимые выборочные оценки коэффициентов регрессии при соответствующих факторах, знаком ’’минус” - статистически незначимые оценки коэффициентов (одновременно эти знаки указывают и значимость или незначимость оценок соответствующих коэффициентов парных и тройного взаимодействий).
Применительно к нашему случаю причинами статистической незначим ости коэффициентов регрессии могут быть: отсутствие влияния фактора на ход процесса, выбор слишком малой величины варьирования фактора в эксперименте при данной ошибке метода испытания (в т. ч. при данных чувствительности и точности метода измерения характеристики, по которой оценивается ход процесса), либо временной дрейф коэффициентов регрессии, т. е. изменение во времени степени влияния отдельных факторов. С учетом этих обстоятельств рассмотрение табл. 2 приводит к тем же выводам, что и табл. 1 - практически все характеристики масла достаточно четко реагируют на воздействие температуры и времени (за исключением Кч и tg δ ), а на воздействие электрического поля реагирует только концентрация Н2. Обращаясь к прямым опытным данным, следует отметить, что для всех групп моделей все характеристики масла изменяются довольно резко в первые 300-700 ч, а затем их изменение замедляется. Возможно, на начальном этапе испытания играет роль ограниченное количество кислорода, концентрация которого в герметичной конструкции достаточно быстро снижается. Зависимость от времени ряда характеристик масла для режимной группы 80/5,5 показаны на рисунке. Форма этих зависимостей характерна и для всех других режимных групп. Здесь обращает на себя внимание то, что все характеристики, кроме Кч и tg δ,.изменяются во времени монотонно. Волнообразное изменение Кч и tg δ объяснить достаточно трудно. Возможно, такая зависимость Кч связана с изменением концентрации ’’естественных” ингибиторов масла, образующихся в нем при старении, а характер изменений tg δ - с изменением во времени концентрации в масле подвижных носителей заряда за счет их абсорбции на твердой изоляции. Однако очень большая длительность периода колебаний Кч и tg δ по сравнению с общей длительностью испытания существенно затрудняет возможность достоверного объяснения характера их изменения, а также их анализа другими средствами.
Большой интерес представляют данные о составе и концентрации газов, растворенных в масле. Во всех моделях были обнаружены СО, и Н,,ав моделях с дефектами - также метан (СН4) и углеводороды с двумя атомами углерода (С2Н2, С, Н, и С, Н,).
Таблица 3
При этом в дефектных моделях концентрация СО, была такой же, а концентрация Н2 - на 2-3 порядка больше, чем в моделях без дефектов. Моделей с дефектами было всего 3; в двух из них при разборке были обнаружены следы пробоя масляного канала, а в одной следов разрядов не обнаружено, хотя в начале испытания в ней были зарегистрированы ч. р. Абсолютная величина концентрации СО, в группах бездефектных моделей с температурой 80 °С достигает 9% объемных, что намного превышает допускаемую (и достигаемую) в нормально работающих трансформаторах. По-видимому, единственной причиной этого является исключительно активное разложение целлюлозы (при температуре 80 °С среднее снижение средней степени полимеризации (ССП) по сравнению с начальным значением составило 36,5%), в свою очередь обусловленное повышенным исходным влагосодержанием твердой изоляции.
Для анализа кинетики старения было использовано выравнивание опытных зависимостей характеристик от времени методом наименьших квадратов по способу Чебышева [3]. Результаты этой обработки приведены в табл.З (для всех зависимостей наибольшее расхождение расчетных и опытных значений не превышает 9%). В табл. 3 обращает на себя внимание то обстоятельство, что все опытные зависимости для групп моделей с температурой 80 °С аппроксимируются полным кубическим многочленом, тогда как для групп с температурой 40 °С порядок полного аппроксимирующего многочлена для различных характеристик изменяется от 1-го до 3-го, что указывает на заметное различие характера процессов при этих двух значениях температуры. Соответственно различаются и скорости изменения характеристик: при температуре 80 °С скорость снижается до минимума (для всех характеристик при 1500-1900 ч), после чего эта скорость снова повышается и растет до конца испытания; при 40 °С поверхностное натяжение уменьшается с постоянной скоростью, а концентрация СО, изменяется с линейно уменьшающейся скоростью. Что касается значений начальной и конечной скоростей, то они определяются с недостаточной точностью.
Данные анализа временных зависимостей характеристик масла дают основание говорить о необходимости увеличения длительности подобных испытаний МКИ хотя бы до достижения установившегося значения скорости изменения всех или большей части контролируемых в процессе испытания характеристик или, по меньшей мере, до достижения установившегося значения ускорения их изменения. Если же эти параметры испытания не стабилизируются, то в таком случае длительность испытания должна определяться временем достижения испытываемой изоляцией одного из двух указанных выше предельных состояний - потери ею электрической прочности (частично или полностью) либо такой степени ухудшения характеристик
масла, при которой оно считается частично или полностью непригодным для дальнейшей эксплуатации.
Выводы.
- При близких к рабочим электрической и тепловой нагрузках на МБИ более сильное влияние оказывает тепловая нагрузка. На степень старения масла и целлюлозных материалов существенно влияет повышенное влагосодержание твердой изоляции (1,5-2%).
- Длительное испытание должно продолжаться до достижения установившегося значения скорости или хотя бы ускорения изменения всех или большей части контролируемых характеристик. Если же эти параметры испытания не стабилизируются, то его длительность определяется временем достижения характеристиками изоляции таких значений, при которых изоляция считается частично или полностью непригодной для дальнейшей работы.
- Рекомендуется в числе контролируемых в ходе испытаний маслоцеллюлозной изоляции характеристик масла, кроме кислотного числа и tg δ, использовать состав и содержание растворенных в масле газов (в том числе содержание водорода), а также поверхностное натяжение, оптическую плотность или относительное светопропускание и показатель полярности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Шторм Р. Теория вероятностей. Математическая статистика. Статистический контроль качества. М.: Мир, 1970.
- Ашмарин И. П., Васильев Н. Н., Амбросов В. А. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов. Л.: ЛГУ, 1975.
- Хотимский В. И. Выравнивание статистических рядов по методу наименьших квадратов (способ Чебышева) и таблицы для нахождения уравнений параболических кривых. М.: Госстатиздат, 1959.
