УДК 621.314.212:621.317.2:621.31.019.3
О. H. Гречко, А. Г. Левит, Г. Г. Луненков, В. П. Новиков, Т. Я. Харина, Η. П. Щипунова
РЕСУРСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
По разработанной в НИИПТ методике проведены ресурсные испытания партии силовых распределительных трансформаторов типа ТМ-1600/35 новой серии. Испытания проводились с ускорением по нагреву в диапазоне расчетных температур наиболее нагретой точки обмоток 138—185 °C с периодическим воздействием ударного тока трехфазного к. з. и срезанных грозовых импульсов. Установлено, что ресурс определяется скоростью термического износа бумажной витковой изоляции в зоне наиболее нагретой точки обмоток. Трансформаторы выдержали от 6 до 19 к. з. с нормативной предельной амплитудой ударного тока и от 24 до 57 срезанных грозовых импульсов с нормативной эксплуатационной амплитудой. Медиана ресурса — 32 года, минимальное время безотказной работы — 20 лет.
Ресурсные испытания были проведены на шести трансформаторах типа ТМ-1600/35 новой серии, разработанных Всесоюзным институтом трансформаторостроения (ВИТ) и изготовленных Запорожским трансформаторным заводом (ЗТЗ).
Основные технические данные трансформаторов: мощность 1600 кВ-А, напряжение обмоток ВН и НН - 35 (ПБВ ± 2 X 2,5%) и 10,5 кВ, соответственно, схема и группа соединения — У/Д — 11, напряжение короткого замыкания — 6,5%. Трансформаторы новой серии отличаются от предшествующей следующими основными конструктивно-технологическими особенностями: магнитопровод имеет косой стык, слоевые обмотки ВН и НН намотаны в виде фазного блока, устройства прессовки магнитопровода и обмоток изготовлены из ДСП, заливка активной части маслом производится под вакуумом.
Трансформаторы успешно прошли эксплуатационные испытания [1]. Ресурсные испытания принципиально отличаются от последних тем, что в соответствии с ГОСТ 27.002-83 (переведен в категорию методических указаний) в них должно быть получено подтверждение исправной работы трансформаторов в течение заданного времени во всех эксплуатационных режимах, предусмотренных ГОСТ 11920-85 (ТУ на трансформаторы 1—8 МВ-А до 35 кВ), в том числе в режимах ударных нагрузок по току и напряжению. В данных испытаниях по требованию разработчика было необходимо также оценить соответствие процесса термического старения трансформаторов закону Аррениуса, что потребовало проведения режима стационарной нагрузки при разной температуре наиболее нагретой точки обмоток θннт.
В качестве эксплуатационных факторов, воспроизводимых при ресурсных испытаниях, были выбраны номинальное напряжение, нагрев, максимально возможный ударный ток трехфазного к. з. и стандартный срезанный грозовой импульс с амплитудой, равной 85% амплитуды соответствующего стандартного испытательного напряжения (см. Труды НИИПТ, 1975, вып. 21—22). Выбор именно этого вида перенапряжения был результатом анализа данных импульсного обмера обмоток трансформаторов во Всесоюзном институте трансформаторостроения.
При определении числа ударных нагрузок (перенапряжений и к. з.) учитывалось, что размер грозовой активной зоны обмотки, т. е. области, где вероятность отказа при перенапряжениях больше нуля, быстро уменьшается со снижением амплитуды перенапряжения (см. Левит А. Г. Расчет характеристик повреждаемости изоляции силовых высоковольтных трансформаторов по результатам испытаний модели этой изоляции / Электротехника, 1979, № 12). Также известно, что значение динамического усилия при к. з. быстро уменьшается со снижением амплитуды ударного тока. Необходимо учесть, что одновременно быстро падает вероятность отказа или возникновения остаточных повреждений механического характера. Все эти обстоятельства позволяют ограничиться при ресурсных испытаниях воспроизведением лишь предельных значений амплитуды ударных воздействий и таким путем сократить их число.
Число предельных по ударному току к. з. за плановый срок работы трансформатора (25 лет) в соответствии с [2] и ГОСТ 20243-76 было принято равным шести, а удельное число срезанных грозовых импульсов с учетом высокого уровня изоляции трансформатора было принято равным 1 имп/год.
В качестве критериев отказа были выбраны пробой главной (или продольной) изоляции и разрушение обмотки. Ухудшение характеристик масла за пределы эксплуатационных норм (Нормы испытания электрооборудования. М.: Атомиздат, 1978) не считалось отказом; в этом случае производилась очистка масла и его перезаливка без вакуума (модель возможной полевой эксплуатационной ситуации).
Для ускорения испытаний использован повышенный нагрев. Такой выбор основан на следующих соображениях:
- в распределительных трансформаторах наиболее вероятной причиной исчерпания их эксплуатационного ресурса является термический износ витковой изоляции;
- в электромагнитных устройствах, магнитная система которых нормально работает в режиме, близком к насыщению, использование напряжения для ускорения испытания опасно из-за искажения режима работы магнитной системы.
В качестве математической модели ускорения было принято правило Монтзингера (ГОСТ 14209-85);
(1)
Была разработана специальная методика испытания, основные положения которой сводятся к следующему. Суммарное время испытания в режиме стационарной нагрузки при заданной температуре ϴннт, соответствующее плановому ресурсу Т=25 лет, рассчитывают по (1). Для периодического приложения ударных воздействий это время делят на 6 интервалов соответственно числу к. з. за плановый срок работы трансформатора. Длительность интервала выбирают на основе равномерно распределенных случайных чисел в предположении, что предельные по интенсивности к. з. и грозовые перенапряжения представляют собой пуассоновские потоки редких событий. После завершения каждого интервала стационарной нагрузки трансформатор подвергается однократному воздействию ударного тока трехфазного к. з., а затем на каждую обмотку подается серия из трех срезанных импульсов. В случае успешного завершения первых шести таких интервалов испытания продолжаются, при этом длительность последующих интервалов может быть принята по тому же (или другому) набору случайных чисел. При необходимости очистки масла по завершении очередного интервала испытание прерывается, масло из трансформатора обрабатывается на фильтр-прессе или центрифуге до соответствия его характеристик эксплуатационным нормам (Нормы . . . М.: Атомиздат, 1978) и заливается без вакуума; после отстоя трансформатора в течение 100 ч (по инструкции изготовителя) испытание продолжается.
Испытания проводились на специально разработанном стенде ресурсных испытаний трансформаторов. В его состав входила схема стационарного режима, основанная на принципе взаимной нагрузки уравнительным током (ГОСТ 3484.2—88), в которой использовалось несимметричное смещение переключателей ПБВ трансформаторов, включенных друг на друга; так как при максимальном смещении переключателей коэффициент нагрузки составляет Кн=0,75, то в схему были введены переналаживаемые трехфазные конденсаторные батареи для регулирования тока нагрузки (рис. 1). Следует подчеркнуть, что такое техническое решение было принято из-за отсутствия специального вольтодобавочного трансформатора. На стенде использовался импульсный генератор 500 кВ, собранный из элементов оборудования фирмы ТУР (ГДР) и установленный с учетом требований ГОСТ 22756-77 на методы испытаний изоляции трансформаторов, распредустройство 10 кВ и прочие испытательные и измерительные устройства.
Схема рис. 1 использовалась и для испытания каждого трансформатора в режиме к. з.; для этого трансформатор, предварительно нагретый при номинальном токе и замкнутый накоротко на стороне ВН, включался в сеть 10 кВ через вакуумный выключатель типа ВНВП — 10/320. Для регулирования момента включения на к. з. с целью получения максимально возможной амплитуды ударного тока (в фазе В) была собрана специальная схема на базе прибора SOSТ-4 (ТУР ГДР); она же отключала к. з. через 5—7 периодов тока 50 Гц.
В стационарном режиме непрерывно регистрировалась температура: окружающая (по ГОСТ 3484.2—88), верхних слоев масла и масла на входе и выходе одного из радиаторов каждого трансформатора, а также регулярно измерялись напряжение и ток НН и ВН. В режиме к. з. осциллографировался ток НН и ВН во всех фазах. Импульсные испытания проводились в соответствии с ГОСТ 22756-77. После каждого к. з. на трансформаторах измерялись по ГОСТ 3484.1,3-88 сопротивление обмоток, сопротивление и tgδ изоляции, потери и напряжение к. з. на пониженном напряжении, а затем проводился опыт х. х. (холостого хода) в течение 15—20 мин. На части трансформаторов состояние обмоток контролировалось методом низковольтных импульсов*. После испытания грозовым импульсом повторялся опыт х.х.
Периодически в стационарном режиме и обязательно после окончания очередного интервала стационарной нагрузки (до к. з.) из каждого трансформатора отбирались пробы масла, на которых определялись; кислотное число, tgδ, пробивное напряжение, температура вспышки, состав и концентрация растворенных газов, поверхностное натяжение и светопропускание. После к. з. в повторной пробе масла, контролировались состав и концентрация растворенных газов. После отказа трансформатор разбирался для уточнения характера повреждения, при этом отбирались образцы бумажной витковой и межвитковой изоляции для определения средней степени полимеризации (ССП).
* Эти измерения выполнены сотрудником ЛВС ПО Ленэнерго В. Р. Бельцером.
Рис. 1. Схема режима стационарной нагрузки
В1—ВЗ — выключатели; Τ1, Т2 — испытуемые трансформаторы; С1, С2 — конденсаторные батареи; Р1—РЗ — разъединители; ОПН — ограничители перенапряжений
Таблица 1
* Приведено к 0ННТ == 185 °C.
Таблица 2
Непосредственными результатами ресурсных испытаний являются опытные данные о времени суммарной наработки до отказа при испытательной температуре θннт, о числе выдержанных к. з., амплитудах ударных токов, числе выдержанных импульсов напряжения, а также данные разборки и сведения об ССП изоляции. Помимо этого, в процессе испытаний получены сведения о текущем состоянии изоляции трансформаторов, о деформации обмоток, об импульсной электрической прочности, а также о качестве их изготовления.
До отказа испытано 5 трансформаторов при расчетной температуре θннт от 138 °C до 185 °C. Основные результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2. Необходимо обратить внимание на следующие особенности испытаний, связанные с использованной схемой. Так, способ создания тока нагрузки за счет смещения устройства ПБВ неизбежно приводит к тому, что у трансформаторов, включенных друг на друга, ток в обмотках НН, а следовательно и температура ϴннт, заметно отличаются, поэтому к моменту отказа одного трансформатора пары ресурс второго из них оказывался неизрасходованным, его испытания продолжались в паре с другим трансформатором и иногда при другой температуре θннт (см. данные Т1 в табл. 1). Другой особенностью этой схемы является невозможность поддерживать постоянной температуру испытаний в условиях сезонных и суточных колебаний окружающей температуры из-за грубой ступенчатой регулировки нагрузки емкостями конденсаторной батареи.
Эти особенности усложнили технологию испытаний и вызвали необходимость усреднения результатов измерений. Обработка производилась методом весового усреднения, причем в качестве веса использовался относительный износ F, рассчитываемый по (2), для каждого интервала времени испытания с θннт=const. При расчете окончательных результатов время наработки приводилось к температуре θннт, имеющей наибольший вес по F.
Все эти расчеты проводились по общей формуле
(6)
где Fj — относительный износ на 7-м интервале времени стационарного режима нагрузки с θннт=const, т — число таких интервалов, X — одна из расчетных величин: коэффициент нагрузки Кн, температура θннт, время наработки t. По всем указанным выше причинам мы считаем, что принятый в методике способ создания нагрузки следует признать неудачным, так как он вносит неопределенность в количественные результаты. Поэтому мы рассматриваем приведенные здесь результаты испытаний главным образом как методические, а полученные количественные данные оцениваем с известной осторожностью.
Несмотря на малое число испытанных трансформаторов, попытаемся тем не менее на основе табл. 1 выполнить статистическую оценку результатов испытаний. Как показала разборка трансформаторов во всех случаях имело место динамическое разрушение одной из фаз обмоток НН и ВН.
Таблица
Рис. 2. Распределение времени t до отказа (логарифмически нормальная шкала θннт= 98°С)
1 — опытные данные, 2 — то же с учетом параметра сдвига t0=177800 ч
С учетом этого, а также результатов измерения ССП витковой изоляции [3], есть все основания считать, что первопричиной отказов всех трансформаторов был термический износ витковой изоляции в наиболее нагретой области обмоток и обусловленная этим потеря ими механической прочности. Если исходить из того, что процесс термического износа следует законам химической кинетики и поэтому является мультипликативным (износ в момент времени t+δt зависит от степени износа, достигнутой к моменту t), то теоретически наиболее вероятным статистическим законом распределения времени до отказа представляется логарифмически нормальный [4]. Проверка данных табл. 3 по статистическим критериям показала, что значение t для F = 3,51 не является грубым отклонением и что нет оснований отвергнуть гипотезу о соответствии опытных данных логарифмически нормальному закону. Кривая 7 на рис. 2 — это график распределения времени до отказа, построенный непосредственно по данным табл. 3. Выпуклость вверх явно указывает на то, что опытные данные отвечают не двух-, а трехпараметрическому закону с параметром сдвига t0>θ. Этот факт соответствует теоретической концепции об энергетике процесса износа изоляции, согласно которой разрушение изоляционной системы может начаться и развиваться лишь тогда, когда подведенная извне к системе энергия достигнет определенного конечного значения. По этой концепции существует такая температура θ<θ0, при которой изоляция не достигнет заданной степени износа в течение времени t=∞, а при температуре θ>θ0 существует такое время 0<t<∞, в течение которого заданная степень износа не будет достигнута. Таким образом, время t0 по существу представляет собой минимальное гарантированное время безотказной (по изноcу изоляции) работы.
Рис. 3. Закон Аррениуса (о — опытные точки)
Случайная составляющая общего времени до отказа (по износу) описывается кривой 2 рис. 2. Она представляет собой полученное методом наименьших квадратов наилучшее приближение опытных данных в виде прямой с учетом параметра сдвига t0. Точечная оценка параметра t0 равна 20,3 года. Другие точечные оценки составляют: среднего ресурса 35,8 года, медианы ресурса — 32,3 года.
В силу указанных выше причин статистические оценки по точности не соответствуют требованиям ГОСТ 27.502-83. Однако представляется принципиально важным, то что ресурсные испытания (в том виде, как они рассматриваются здесь) при соответствующем объеме партии испытуемых объектов являются по существу испытаниями на безотказность и долговечность. Для проверки соответствия процесса термического старения целлюлозной изоляции трансформатора закону Аррениуса
(7) где t — время до отказа; А = const, Wа — энергия активации; Кb — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, °C. По данным табл. 1 на рис. 3 методом наименьших квадратов построена функция (7). Строго говоря, опытные значения времени до отказа в табл. 1 при каждой температуре θннт представляют собой случайные величины с неизвестным уровнем вероятности отказа. Поэтому график на рис. 3 нельзя считать статистически значимым и использовать для прогнозных оценок ресурса, например, при нормативной температуре θннт=98 °C. Мы рассматриваем этот график как грубое приближение, которое, однако, качественно совпадает с другими опытными данными (например, с результатами разборки трансформаторов и определения ССП).
Анализ результатов регулярных измерений потерь и напряжений к. з., а также сопоставление осциллограмм, полученных методом низковольтных импульсов (примеры осциллограмм даны на рис. 4), показали, что в трансформаторах данной конструкции и качества изготовления эффект накопления остаточных повреждений при к. з. практически не наблюдается вплоть до отказа.
Рис. 4. Осциллограммы низковольтных импульсов обмотки НН, трансформатора Т2, фазы а
а — нормограммы (перед началом испытаний); б — после 8-го к. з., в — после 9-го к. з. (отказ)
Результаты испытаний в режиме к. з. в принципе позволяют оценить ресурс трансформатора с позиций его динамической устойчивости, но в отличие от ГОСТ 20243-77, — с учетом старения изоляции. Например, если взять за основу статистическую модель, предложенную в [2], то можно получить расчетную оценку числа выдерживаемых трансформатором к. з. с предельной нормативной амплитудой ударного тока (динамический ресурс):
(8)
где М — расчетный динамический ресурс; S — число фактически выдержанных в испытаниях к. з.; Iк.з.j — амплитуда ударного тока при 7-м к. з. ; Iк.з.н — нормативная предельная амплитуда ударного тока. Оценки по (8) приведены в табл. 2.
Данные испытаний по такой методике могут стать основой для практического применения статистических моделей ударных нагрузок, теоретически разработанных в [5], в качестве одного из средств прогнозирования эксплуатационного состояния трансформаторов.
Результаты испытания трансформаторов срезанными импульсами напряжения показали, что это воздействие ни разу не привело к отказу; сопоставление осциллограмм позволяет говорить об отсутствии эффекта накопления остаточных повреждений. Применительно к этому воздействию сохраняют силу высказанные выше соображения о моделях ударных нагрузок [5].
Хотя для испытываемых трансформаторов коммутационные перенапряжения не опасны и специально не моделировались, тем не менее они возникали в схеме (см. рис. 1) при оперативных коммутациях; общее число таких перенапряжений, ограниченных до кратности 2,2 нелинейными ограничителями перенапряжений (специальная разработка НПО "Электрокерамика"), на каждый трансформатор составило от 300 до 500. Опыт испытаний показал, что когда степень термического износа витковой изоляции уже достаточно велика, сравнительно небольшой динамический удар, обусловленный, например, броском тока включения, может оказаться достаточным для возникновения отказа (как видно из табл. 1, именно такими были три отказа из пяти).
Говоря об общих итогах ресурсного испытания, необходимо обратить внимание на следующие методические и организационно-технические особенности по сравнению с существующими стандартными испытаниями трансформаторов:
- более полное воспроизведение реальных эксплуатационных условий работы, что позволяет, в частности, учитывать эффекты старения, накопления повреждений разной природы и получать более объективную информацию об эксплуатационной надежности трансформатора;
- возможность получения некоторых данных диагностического характера [3];
- более сложные методика, техническое оснащение и организация;
- существенно больший объем измеряемых величин и измеренных данных и вытекающая отсюда необходимость высокой степени автоматизации как самих измерений, так и обработка их результатов.
С другой стороны, ресурсное испытание, проводимое по описанной методике, способно заменить собой проводимые сейчас автономные тепловые, динамические испытания трансформатора, приемочные испытания его изоляции, отвечает требованиям системы ГОСТ "Надежность в технике" в части экспериментальной оценки нормативных показателей надежности, а по структуре, объему и уровню информации о реальных качествах изделия оно намного превосходит общий итог всех проводимых сейчас стандартных приемочных испытаний.
Выводы: 1. В результате ресурсных испытаний партии силовых распределительных трансформаторов типа ТМ-1600/35, проведенных по специально разработанной методике, есть основания утверждать:
а) главной причиной разрушения обмоток этих трансформаторов при к. з. или при оперативных коммутациях является термический износ витковой изоляции в наиболее нагретой области обмоток;
б) статистическое распределение времени до отказа — трехпараметрическое логарифмически нормальное, а грубые (из-за малого числа испытанных трансформаторов) точечные оценки ресурса составляют: минимальное гарантированное время безотказной (по износу изоляции) работы — 20,3 года, средний ресурс — 35,8 года, медиана ресурса — 32,3 года;
в) в трансформаторах данной конструкции (при технологии их производства, реализованной на испытанной партии) не наблюдался эффект накопления остаточных повреждений обмоток в результате воздействий к. з. и срезанных грозовых импульсов напряжения вплоть до отказа, что совместно с другими опытными данными этого испытания позволяет говорить об отсутствии у испытанной партии трансформаторов приработочных и внезапных отказов.
- Экспериментально подтверждена правильность принципиальных положений разработанной методики ресурсных испытаний силовых распределительных трансформаторов. Практическим недостатком методики является использование для создания режима стационарной нагрузки схемы уравнительного тока с несимметричным смещением устройств ПБВ трансформаторов испытуемой пары, так как это снижает точность результатов и усложняет технологию испытаний.
- Применение в ресурсных испытаниях известных методов контроля текущих деформаций обмоток и состояния их импульсной прочности может быть основой практического использования теоретических статистических моделей ударных нагрузок для прогнозирования эксплуатационного состояния трансформаторов.
- Ресурсные испытания, будучи методически и механизационно- технически более сложными, чем существующие стандартные испытания, проводимые автономно, по существу выполняют все функции этих стандартных испытаний, но в отличие от них, дают комплексную информацию о реальных эксплуатационных качествах трансформатора с учетом старения его изоляции, включая данные о его надежности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Длительные эксплуатационные испытания новой серии силовых трансформаторов 35 кВ / О. Н. Гречко, А. Г. Левит, Η. М. Сафронова, Т. Я. Харина, Η. П. Щипунова, М. А. Басс, Н. Л. Заболотный // Исследование старения и срока службы внутренней изоляции электрооборудования высокого напряжения. Л.: Энергоатомиздат. 1985 (Сборник научных трудов НИИПТ).
- Цирель Я. А., Поляков В. С. Эксплуатация силовых трансформаторов на электростанциях и в электросетях. Л.: Энергоатомиздат. 1985.
- Изменение характеристик изоляции силовых распределительных трансформаторов при ресурсных испытаниях / О. Н. Гречко, А. Г. Левит, Г. Г. Луненков, Η. П. Щипунова (см. настоящий сборник).
- Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. М.: Мир. 1969.
- Барлоу Р.; Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность. М.: Наука. 1984.
