Испытания и оценка ресурса конденсаторов нового поколения

УДК 621.319.4
А. Ф. Курбатова, В. И. Попков (НИЦПТ), В. С. Зуев, Л. К. Тучина (ВНИИСК)
ДЛИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕСУРСА КОНДЕНСАТОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Проведены ресурсные испытания конденсаторов связи трех видов исполнения изоляции: традиционного — "бумага — конденсаторное масло" (конденсаторы типа СМ-100/√3—6,4У1) и вновь разработанных "пленка—бумага МКОН-1 —  конденсаторное масло" (СМ1-53-9,6У1) и "пленка — бумага КОН2 — конденсаторное масло" (СМ2-53-9,6У1). Определен технический ресурс (Наработка до отказа) при длительном воздействии переменного напряжения промышленной частоты конденсаторов трех типов. Показано, что конденсаторы с бумажно-пленочной изоляцией имеют существенно больший ресурс, чем конденсаторы с чисто бумажной изоляцией. Выявлены особенности старения и развития пробоя бумажно-пленочной изоляции, позволяющие по-новому подойти к отбраковке конденсаторов в эксплуатации.

Осуществленный отечественной промышленностью в начале 80-х годов переход в производстве косинусных и фильтровых конденсаторов на комбинированную бумажно-пленочную (полипропиленовую) изоляцию позволил существенно повысить технический уровень конденсаторов: вдвое увеличить удельную мощность и до 5 раз снизить удельные активные потери.
В 1983 г. ВНИИ силового конденсаторостроения разработал и изготовил макеты конденсаторов связи с комбинированной бумажнопленочной изоляцией, пропитанной конденсаторным минеральным маслом, двух типов исполнения: с бумагой МКОН-1 с малыми диэлектрическими потерями плотностью 1,0 кг/м³ (конденсаторы типа СМ1-53-9,6У1 (далее обозначены СМ1)) и с обычной бумагой КОН-2 плотностью 1,2 кг/м³ (конденсаторы СМ2-53-9,6У1 (далее СМ2)). В НИИПТ были выполнены ресурсные испытания этих конденсаторов, по 4 каждого типа. Для сравнения одновременно испытывались 3 серийных конденсатора с чисто бумажной изоляцией типа СМ-110/√3-6,3У1 (далее СМ-110). Основные технические характеристики конденсаторов и их секций, определенные по результатам разборки, приведены в табл. 1. Конструктивно конденсаторы связи представляют собой пакет последовательно соединенных секций, помещенный в фарфоровую покрышку и залитый конденсаторным маслом под избыточным давлением.
Для испытаний конденсаторов связи был смонтирован стенд на открытой испытательной площадке. Переменное напряжение промышленной частоты подавалось от испытательного трансформатора 600 кВ, 400 кВ-А на три параллельно соединенные колонки, которые состояли из трех конденсаторов СМ1, трех конденсаторов СМ2 и двух конденсаторов СМ-110. Испытания проводились в режиме форсированного старения изоляции при длительном воздействии переменного Напряжения промышленной частоты, превышающего наибольшее рабочее напряжение (U) в 1,3; 1,5 и 1,8 раза. Режим испытаний выбирался так, чтобы сохранялась идентичность процесса старения изоляции в рабочем и испытательном режимах. Устройством автоматического регулирования поддерживалось испытательное напряжение в пределах ± 2% т заданного значения. 

*Один конденсатор СМ-110 (зав. № 15) имел 6 слоев бумаги по 10 мкм.

Ежечасно автоматической системой регистрации выводились на цифропечать следующие параметры: испытательное напряжение, частота испытательного напряжения, ток через каждую колонку конденсаторов, температура окружающего воздуха. Ток через каждую колонку регистрировался дополнительно самопишущим прибором.
По ТУ на конденсаторы отказом конденсатора считается отказ первой секции. Для получения статистических данных об электрической прочности секций испытания любого конденсатора продолжались до отказа нескольких секций.
По техническим причинам испытания на открытом стенде могли проводиться только в циклическом режиме: 16 ч непрерывной работы, затем отключение стенда на 8 ч в ночное время, поэтому для сравнения процесса старения в циклическом режиме и при непрерывном воздействии напряжения конденсатор СМ2 (заводской № 3) испытывался в высоковольтном зале в течение двух лет при средней температуре воздуха в зале +10 °C. Испытания показали, что изменение параметров изоляции (tgδ и С) определяется суммарной наработкой конденсаторов под напряжением.

Рис. 1. Зависимость tgδ изоляции конденсатора СМ2 (заводской №7) от напряжения 1 — измерение перед пуском; 2 — после 2012 ч испытаний (Тр = 4,5 года); 3 —  после 1231 2 ч испытаний (Тр=102 года); 4 — после 21 623 ч испытаний с двумя пробитыми секциями (Тр= 340 лет)

Периодически после 500-600 ч испытаний проводился контроль емкости С и tgδ изоляции конденсаторов мостом Р-5026 на ступенях напряжения от 10 кВ до 1,5U или до 1,8U (с интервалом 10 кВ). Емкость конденсаторов и общая емкость колонок по мере старения изоляции практически не меняется. Значение tgδ всех конденсаторов СМ2 с бумагой КОН-2 стабильно составляет (0,7—1,0)·10“3, практически не изменяясь в процессе старения, и слабо зависит от значения напряжения (рис. 1). Старение изоляции секции в этих конденсаторах приводит к небольшому росту tgδ перед отказом, затем после пробоя секции tg§ несколько снижается. У конденсатора с заводским № 3, работавшего непрерывно, tgδ также не превысил значения 0,8х10-3.
У конденсаторов СМ1 (бумага МКОН-1) отмечен незначительный рост tgδ, измеренного при номинальном напряжении, от (0,7х10-3)-(0,9х10-3) в начале испытаний до (1,7·10-3)-(2,3х10-3) в конце испытаний. Характерным для этих конденсаторов является сильная зависимость tgδ от напряжения (рис. 2), особенно в области малых значений напряжения, где по мере старения изоляции проявляется рост tgδ: от 1,2х10-3 в начале испытаний до 1,3х10-2 в конце, т. е. больше чем на порядок, причем конденсаторы (заводской № 1 и № 5) не имеют пробитых секций.
Отсюда следует, что при контроле состояния изоляции конденсаторов типа СМ1 нельзя ориентироваться на величину tgδ, измеряемую при низких значениях напряжения (в эксплуатации обычно измерение tgδ производится при напряжении 5—10 кВ), поскольку высокое значение tgδ в этом случае не означает потерю ресурса конденсатора. Причины, обусловливающие резкий рост tgδ при низких значениях напряжения, требуют дополнительного изучения.
В конденсаторах СМ-110 ("бумага—масло") tgδ изоляции слабо зависит от напряжения и не превышает нормированное по ТУ значение 3 · 10-3 даже перед пробоем секций (см. рис. 2).

По результатам выполненных испытаний трех типов конденсаторов для каждого из них был оценен технический ресурс в нормальном эксплуатационном режиме (наработка конденсатора за весь период испытаний или до отказа, приведенная к эксплуатационному режиму). Под эксплуатационным режимом имеется в виду наибольшее рабочее напряжение конденсаторов (52 кВ для конденсаторов СМ1 и СМ2 и 78 кВ для СМ-110) и средняя многолетняя температура воздуха +10 °C.
Технический ресурс определялся по методике, изложенной в [1|, как сумма наработок каждого отдельного конденсатора в различных режимах испытаний, приведенных к рабочему режиму:

Средняя многолетняя температура воздуха в Ленинграде практически совпадает со средней температурой воздуха, оговоренной в ТУ на конденсаторы (10°C). Испытания проводились круглогодично, поэтому разность температур θиi—θр принималась без учета фактической температуры воздуха в разные периоды испытаний. Это тем более оправдано, что температура нагрева изоляции из-за малых значений потерь слабо влияет на старение изоляции.
В табл. 2 приведены наработки всех конденсаторов, без отказов секций и до отказа первых четырех секций, а также полная наработка и число отказавших секций к концу испытаний каждого конденсатора. На рис. 3 показана динамика числа отказавших секций во времени для конденсатора № 4 типа СМ1, в котором в концу испытаний отказало 28 секций.

Таблица 2

Продолжение табл. 2

Рис. 3. Изменение во времени числа отказавших секций конденсатора СМ1 (заводской № 14)

Средний ресурс, рассчитанный как среднее арифметическое наработок до отказа первых секций всех испытанных конденсаторов, составляет для конденсаторов СМ-110 с бумажной изоляцией 37 лет, что больше нормированного по ГОСТ 15581-80/2 (Конденсаторы связи и отбора мощности для линий электропередачи. Технические условия) среднего ресурса, равного 25 годам.
Конденсаторы новых типов СМ1 и СМ2 с бумажно-пленочной изоляцией, для которых по ТУ нормирован ресурс, равный 30 годам, по этому показателю намного превосходят конденсаторы старого типа. Если отказом конденсатора считать, как это предусмотрено ТУ, отказ первой секции, то средний ресурс составляет: для конденсаторов типа СМ1 не менее 168 лет, а для конденсаторов СМ2 — не менее 122 лет (конденсаторы СМ1, заводской № 1 и № 5, и СМ2, заводской № 3, не имели отказов).
Для конденсаторов связи нормируется также показатель безотказности: в соответствии с ГОСТ 15581-80 вероятность безотказной работы должна составлять не менее 0,9 за 20 лет. Поскольку минимальное время до отказа первой секции у конденсатора СМ1 составило 25 лет (при 188 испытывавшихся секциях), а у СМ2 — 102 года (при 184 секциях), без специального расчета можно утверждать, что нормированное требование к безотказности также удовлетворяется. Более того, анализ результатов испытаний позволяет сделать вывод о том, что конденсаторы новых типов имеют существенный запас по надежности по сравнению с нормированными показателями.
Указанный вывод основывается на следующем. Как уже отмечалось, в соответствии с ТУ, отбраковочным критерием при приемосдаточных испытаниях и в эксплуатации является пробой изоляции одной секции (или соответствующее изменение емкости конденсатора) . Такой подход является Оправданным для конденсаторов с бумажной изоляцией, но требует пересмотра для конденсаторов с бумажнопленочной изоляцией.
Пробой первой секции у конденсаторов с бумажной изоляцией сопровождался форсированным пробоем других секций, что приводило к выходу конденсатора из строя со срабатыванием предохранительного клапана и потерей герметичности. Промежуток времени от момента пробоя первой секции до момента пробоя второй секции составлял 4-6 часов, что соответствует 1,5—2 месяцам эксплуатации, и далее в течение 23-30 часов число пробитых секций достигало 30-60. Как показала разборка конденсаторов, пробои секции с чисто бумажным диэлектриком сопровождается образованием обширной зоны выгорания бумаги, причем пробои в основном происходят на краю, что способствует выбросу продуктов разложения бумаги в масло и его загрязнению. Проникновение загрязненного масла в краевые зоны других секций и увеличение напряжения секции приводят к форсированному пробою остальных секций. У конденсаторов типа СМ-110 (№№ 14 и 15) из 26 пробитых секций со следами старения пропитки у 21 секции место пробоя находилось на краю или в зоне до 5 мм от края обкладки.
От момента пробоя первой секции конденсаторов с изоляцией "бумага—пленка—масло" до пробоя следующей (следующих) проходило значительное время, эквивалентное нескольким годам эксплуатации.
Размещение слоя бумаги между двумя слоями пленки приводит к локализации зоны выгорания диэлектрика, причем пробои происходят в основном в средней части секции (по ширине). Так, у конденсатора № 4 (СМ1) только 2 из 28 пробитых секций и у №6 (СМ2) 2 из 14 —  со следами старения пропитки пробились на краю, остальные — в зоне более 10 мм от края обкладки. В результате при пробое бумажно-пленочной изоляции, в отличие от чисто бумажной, образуется незначительное количество продуктов разложения, некоторое время остающихся внутри пробитой секции, поэтому пробой первых секций в этом случае мало влияет на ресурс остальных целых секций.
В табл. 3 сопоставлены наработки до отказа 1-й секции (T1) и наработки между отказами последующих секций (Тj+1—Тj), где j=1, 2, 3... — порядковый номер отказавшей секции.
Данные табл. 3 показывают, что отказ 1-й секции практически не влияет на наработку до отказа последующих секций. Наработки секций до отказа определяются качеством изготовления отдельных секций и конденсатора в целом. 

Таблица 3

Наиболее показательными являются результаты испытаний конденсаторов № 2 и 4; у конденсатора № 2 После отказа трех и даже четырех секций целые секции имеют значительный остаточный ресурс (72 года и более 60 лет), у конденсатора 4 при отказе 20 секций остаточный ресурс остальных секций составил около 100 лет (см. рис. 3). Кажущимся исключением является конденсатор № 6, у которого лавинообразный отказ очередных секций после отказа 1-й секции наблюдался с интервалом 1 год и менее. Следует учесть, что наработка этого конденсатора до отказа 1-й секции состарила 195 лет, что значительно больше, чем у других двух конденсаторов типа СМ2, поэтому лавинообразный отказ секций этого конденсатора объясняется естественной выработкой ресурса большого числа секций.
В свете вышеизложенного допустима длительная эксплуатация силовых конденсаторов с бумажно-пленочной изоляцией с одной или даже большим числом пробитых секций, если это не приводит к нарушению предъявляемых к конденсаторам функциональных требований (например, к недопустимому изменению емкости).
Статистические оценки показателей долговечности и безотказности конденсаторов СМ1 и СМ2 будут определены после получения дополнительных данных по отказам секций конденсаторов № 1, 5, 8 (СМ1) и№3, 7 (СМ2).
Выводы. 1. В результате испытаний оценен технический ресурс в нормальном эксплуатационном режиме конденсаторов связи с различными комбинациями твердого диэлектрика и пропиткой конденсаторным минеральным маслом.
Средний технический ресурс до отказа первой секции по результатам испытаний составил: конденсаторов СМ-110 (изоляция "бумага-масло") — 37 лет, конденсаторов СМ1 ("пленка—бумага МКОН-1 — масло") — 168 лет, конденсаторов СМ2 ("пленка—бумага КОН-2- масло") — 122 года при нормированном среднем ресурсе 25 лет.

1. Отказы секций конденсаторов с чисто бумажной изоляцией носят лавинообразный характер. У конденсаторов с бумажно-пленочной изоляцией отказы первых секций практически не влияют на ресурс остальных секций и являются приработочными, что позволяет в ряде случаев ослабить для этих конденсаторов критерии отказа (до отказа двух и даже более секций).
2. Изменение tgδ изоляции конденсаторов СМ1 и СМ2 в процессе их старения (до отказа первых секций) не является достоверным показателем их состояния.