Тепловизионный контроль маслонаполненных трансформаторов тока

В зависимости от конструктивного выполнения обмоток, маслонаполненные трансформаторы тока (ТТ), выпускаемые отечественной промышленностью можно условно разделить на три группы:
трансформатор  тока со звеньевой изоляцией обмоток (серия ТФЗМ); трансформатор  тока с U-образной первичной обмоткой (серия ТФУМ); трансформатор  тока с рымовидной обмоткой (серия ТФРИ).
При тепловизионном контроле трансформаторов тока оценивается состояние внутренних и внешних контактных соединений, а при выполнении определенных условий по измеренным температурам на поверхности фарфоровой покрышки — и состояние бумажно-масляной изоляции.
Перед проведением ИК-контроля трансформаторов тока необходимо провести анализ условий их работы и состояние внутренней изоляции. Определяется: год выпуска (длительность эксплуатации); завод-изготовитель; способ защиты масла от увлажнения;
количество токов КЗ, протекавших по обмоткам трансформаторов тока, и их значения; результаты измерения характеристик изоляции обмоток, а также хроматографического анализа газов в масле; термограммы предыдущих термографических съемок и др.

Тепловизионный контроль трансформаторов тока рекомендуется проводить с учетом требований, изложенных в РД 153-34.0-20.363-99  и приводимых ниже:

1. Для трансформаторов тока тепловизионный контроль является вспомогательным средством оценки как теплового состояния трансформаторов тока в целом, так и его отдельных участков. При выявлении тепловых аномалий в изоляции обмоток трансформаторов тока окончательное заключение должно делаться на основании анализа всего комплекса измерений: термограммы нагрева, tgδ изоляции, показателей качества масла, хроматографического анализа газов в масле, влагосодержания бумажной изоляции обмоток и т.п., а также с учетом длительности и условий эксплуатации трансформаторов тока.
2. Тепловизионный контроль трансформаторов тока всех конструктивных исполнений с длительным периодом эксплуатации (20 лет и более) рекомендуется проводить ежегодно, предпочтительно до наступления летнего периода максимума температур.
3. Контроль с помощью тепловизора каждой фазы трансформаторов тока осуществляется как минимум с трех точек, отстоящих друг от друга на 120 °С.
4. При тепловизионном контроле должно осуществляться пофазное сравнение температур, измеренных в одинаковых зонах на поверхности покрышек трансформаторов тока.

В тех случаях, когда разность измеренных температур фаз превышает 0,3 °С, должны быть приняты дополнительные меры по выяснению причины подобной аномалии: проведены повторные тепловнзнонные измерения при более благоприятных погодных условиях, при иной токовой нагрузке, проверена симметричность токов в фазах и т.п.
Общий повышенный нагрев одной из фаз трансформаторов тока может быть обусловлен остаточным намагничиванием магнитопровода трансформаторов тока при прохождении по нему тока КЗ. В этом случае рекомендуется произвести размагничивание магнитопровода с повторением тепловизионного контроля трансформаторов тока.

1. В тех случаях, когда по температуре, измеренной на поверхности покрышки трансформаторов тока, осуществляется пересчет к значению tgδ изоляций обмоток по методике Ленэнерго, необходимо обращать внимание на возможность погрешности за счет влияния теплового отражения ребер покрышки или тепловыделения оттока нагрузки, протекающего через трансформатор тока.
2. Наряду с определением с помощью тепловизора состояния внутренней изоляции обмоток маслонаполненных трансформаторов тока, производится также измерение температуры нагрева в местах подсоединения внешних цепей зажимов трансформаторов тока и оценка состояния внутреннего переключающего устройства.

В первом случае используют в качестве критериев предельные температуры нагрева (превышение температуры). Нагрев контактов внутреннего переключающего устройства вызывает появление повышенной температуры на поверхности расширителя.
Оценка состояния внутренних переключающих устройств трансформаторов тока должна осуществляться сравнением между собой температур на поверхности расширителя трех фаз. Превышение температуры на поверхности расширителя трансформаторов тока более чем на 10 - 15 °С может быть обусловлено аварийным внутренним дефектом переключателя.

Трансформаторы тока серии ТФУМ (ТФКН)

Трансформаторы тока серии ТФУМ (ТФКН) на номинальное напряжение 330 кВ первоначально изготовлялись на Ленинградском заводе "Электроаппарат", а в дальнейшем их производство было передано Запорожскому заводу высоковольтной аппаратуры (ЗВВА). Ввиду неудовлетворительной технологии изготовления трансформаторов тока заводом "Электроаппарат" (ручная рыхлая намотка бумажной изоляции с возможностью ее смещения, некачественная сушка и вакуумирование изоляции, отсутствие узла герметизации), повреждаемость их была достаточно высокой.
Результаты эксплуатации трансформаторов тока обоих заводов выявили их малую электродинамическую стойкость. Пробой изоляции обмоток трансформаторов тока носит, как правило, теплоизоляционный характер и в значительной мере зависит от количества КЗ, длительности и значений токов КЗ, протекающих по обмоткам.
Осмотр поврежденных трансформаторов тока показал, что возникающие при КЗ механические усилия в первичной обмотке вызывают смятие и разрывы конденсаторных обкладок в местах наложения бандажей. Местные смятия рыхлой намотки бумажного остова вызывают нарушение в распределении электрического поля и в совокупности с повышенными температурами, прогрессирующим ухудшением диэлектрических свойств масла, воздействием повышенных температур окружающего воздуха и приводят к ускоренному развитию пробоя. Поэтому, применительно к трансформаторам тока с U-образной первичной обмоткой необходима предварительная оценка возможного развития внутреннего дефекта в бумажно-масляной изоляции в результате воздействия токов КЗ. Степень такого воздействия можно примерно оценить, исходя из результатов испытаний трансформаторов тока в НИЦВВА с киносъемкой протекавших механических процессов в первичной обмотке (табл. 1).
Таблица 1. Результаты испытания трансформаторов тока ТФКН-330 на электродинамическую стойкость

Второй трансформатор тока ТФКН

Примечания: 1 Im -наибольшее амплитудное значение тока КЗ (1тНорм "198 кА), Токр = 8-12°С. 2. Ig -начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ (IgHopM 80 кА в течение ОД с).
По результатам проведенных экспериментов были сделаны следующие выводы:
при неоднократном (3—4 раза) воздействии токов КЗ, наибольшее амплитудное значение которых составляет 80 % нормативных значений и более, происходит постепенный рост упругой деформации первичной обмотки, сопровождающейся обрывом бандажей, разрушением крепежной клицы и нарушением плотности намотки бумажной изоляции;
упругая деформация первичной обмотки при испытаниях достигает 80 — 90 мм (при зазоре между внутренней поверхностью покрышки и первичной обмоткой 50 — 60 мм);
при нарушении плотности бумажной изоляции (в результате смятия бумаги) при динамическом воздействии на нее проводов обмотки возможны разрыв бумажной оплетки и фольги, изменения напряженности электрического поля с повышением его градиентов на отдельных участках до недопустимо высоких значений, возникновение частичных разрядов, образование газовых включений и в итоге электрический пробой главной изоляции трансформаторов тока.
При тепловизионном обследовании необходимо учитывать характер нормального распределения температуры по высоте трансформаторов тока, полученного при проведении его типовых испытаний.
При анализе полученных термограмм:
сравнение результатов рекомендуется осуществлять для трех фаз присоединения; общее повышение температуры одной из фаз может быть обусловлено ухудшением состояния внутренней изоляции (масла или бумажной изоляции обмотки);
проявление аномальных нагревов по высоте покрышки фазы необходимо сопоставить с зоной конструктивного нанесения бандажей (или бандажа). Нарушение бандажного крепления трансформаторов тока обычно начинается с верхней части обмотки;
исследования, проведенные в Ленэнерго, показали, что между увеличением tgδ основной изоляции обмоток трансформаторов тока и значениями температур на поверхности фарфоровых покрышек трансформаторов тока имеется зависимость. По расчетам увеличение tgδ основной изоляции трансформаторов тока на 1 % в среднем приводит к росту температуры на 0,1 °С. Контроль tgδ под рабочим напряжением трансформаторов тока и проведения измерения температур на поверхности фарфоровых покрышек с помощью тепловизора, подтвердили идентичность результатов:

Превышение температуры нагрева одной фазы по сравнению с другими фазами более чем на 0,3 °С может быть связано с повышением значения tgδ в этой фазе, иным углом наблюдения или другими факторами, требующими дополнительного обследования трансформатора тока. В ряде случаев, оказывается полезным проведение исследования состояния обмотки трансформатора тока при демонтированной крышке с помощью технического эндоскопа.

Трансформаторы тока серии ТФРМ (ТРМ).

У трансформаторов тока серии ТФРМ конденсаторная бумажная изоляция нанесена только на вторичные обмотки, по форме напоминающие рым. Первичная обмотка трансформаторов тока состоит из двух токоведущих шин, соединяемых последовательно или параллельно при помощи переключателя, смонтированного на наружной части маслорасширителя.
Максимальные температуры при номинальной нагрузке имеют место на первичной обмотке, отделенной слоем масла от конденсаторной бумажно-масляной изоляции вторичных обмоток. Для трансформатора тока 330 кВ превышение температуры при номинальной нагрузке составляет: у первичной обмотки 54 °С, внешней перемычки переключателя коэффициента трансформации 35 °С, верхних слоев масла 33 °С, и вторичных обмоток 28 °С. Повреждения трансформатора тока с рымовидной обмоткой обусловлены пробоем основной изоляции вблизи тройников с перекрытием на цоколь, и чаще пробоем основной изоляции верхней части рымовидной обмотки в результате увлажнения бумажно-масляной изоляции в процессе эксплуатации, или ее неудовлетворительной термовакуумной обработки.
Аварии с трансформаторами тока происходят преимущественно в жаркий летний период и носят тепло- ионизационный характер. В качестве примера можно привести "вспышку" аварийности трансформаторов тока ТФРМ-330 в июне 1991 г. в Витебскэнерго, где за две недели повредились три трансформатора этого исполнения. Традиционная проверка состояния изоляции этих трансформаторов тока, проводившаяся накануне аварии, не выявила аномальных явлений. Вскрытие поврежденных трансформаторов тока показало, что процесс развития теплового пробоя носил длительный характер с образованием "кратеров" в верхней части рымовидной обмотки.
При тепловизионном контроле трансформаторов тока серии ТФРМ обращается внимание на возможность возникновения локальных нагревов на поверхности фарфоровой покрышки, на металлическом кожухе в местах нахождения "тройников" и в верхней зоне "рыма" вторичных обмоток, а также выводов обмоток и переключателей.
При анализе полученных термограмм трансформаторов тока необходимо учитывать характер распределения температуры по его высоте, полученной при проведении типовых испытаний. Превышение температуры первичной обмотки трансформаторов тока при номинальной нагрузке до 50 °С
и более, приводит к зональному нагреву объема масла в "окне" рымовидной обмотки и соприкасающейся с маслом части металлического кожуха.

Трансформаторы тока серии ТФЗМ (ТФН)

Трансформаторы тока серии ТФЗМ (ТФН) со звеньевой обмоткой имеют защиту внутренней изоляции от увлажнения в виде выносного воздухоосушителя, эффективность которого весьма относительна.
Процесс накопления влаги в бумажной изоляции при наличии воздухоосушительного фильтра происходит относительно медленно и является результатом влагообмена между маслом и бумажной изоляцией обмоток из-за конденсации влаги и воздуха, находящегося в надмасленном пространстве расширителя. Процесс влагообмена между маслом и бумажной изоляцией существенно зависит от температуры окружающего воздуха и тока нагрузки.
Растворимость воды в масле при повышении температуры от 20 до 80 °С увеличивается в 10 раз. За счет колебания температуры влага в масле будет постоянно в соответствии с изменениями температуры переходить из эмульсионного состояния в мо- лекулярно-растворимое и обратно и поглощаться бумажной основой обмотки трансформаторов тока.
Скорость повышения tgδ бумажно-масляной изоляции трансформаторов тока составляет примерно 0,2 % в год. У трансформаторов тока без воздухоосушительных фильтров снижение пробивного напряжения масла ниже нормированного значения происходит в среднем через 4—6 лет эксплуатации, tgδ некоторых трансформаторов тока увеличивается в среднем на 2 — 4 % в году и достигает значений 10-25 %.
Многолетний опыт эксплуатации трансформаторов тока на напряжение 35 — 220 и 500 кВ показывает, что повреждаемость их невелика и обусловлена, в основном, увлажнением внутренней изоляции и на пределе гарантированного срока службы (20 - 25 лет) обусловлена тепловыми пробоями, происходящими в жаркий период года. Трансформаторы этой серии могут иметь внутренние переключающие устройства для изменения коэффициента трансформации.
В эксплуатации отмечаются случаи ухудшения состояния внутренних переключающих устройств в результате ослабления болтовых соединений и повышения переходного сопротивления. Превышение температуры нагрева на поверхности трансформаторов тока, охватывающей внутренний переключатель одной фазы по сравнению с другими фазами более чем на 10 — 15 °С, указывает на возможность развития аварийного дефекта.
Исследования ВНИИЭ показали, что опасным является не средняя увлажненность бумажной основы обмотки, а локальные увлажнения. Опасным является уровень местного увлажнения, равный 6 %. Местное увлажнение может быть в наружных слоях бумаги при токе ТТ, близком к номинальному значению, и средней влажности всей изоляции около 4 %.
Таблица 2. Допустимые значения tgδ основной изоляции трансформаторов тока серии ТФЗМ

Примечание, Iном — номинальный ток трансформатора тока; Iн — ток нагрузки трансформатора тока; Wcp — средняя влажность бумажной изоляции обмоток трансформатора тока.

Неравномерность распределения влажности по толще бумажной изоляции зависит от ее среднего уровня Wcp, тока нагрузки и температуры окружающего воздуха, что обусловливает различные допустимые значения tgδ основной изоляции обмоток трансформатора тока (табл. 2).
При тепловизионном контроле трансформатора тока возможно выявление случаев как общего повышения температуры нагрева покрышки за счет ухудшения качества масла, увеличения tgδ, так локальных нагревов особенно в электрически нагруженных зонах, в местах соприкосновения звеньев обмоток.

Трансформаторы тока серии ТФМ.

Трансформаторы тока этой серии разработаны сравнительно недавно Московским "Электрозаводом" на номинальные напряжения 35, 110, 220 кВ. Конструктивным отличием их от серии ТФЗМ является наличие маслобарьерной изоляции обмоток, размещение их в стандартной фарфоровой покрышке, от трансформаторов тока серии НКФ — возможность изменения коэффициента трансформации в широких пределах. Последнее достигается комбинацией схем включения большого количества ветвей первичной обмотки.
Наличие многочисленных болтовых контактных соединений, ветвей внутри трансформатора тока требует контроля их состояния с помощью тепловизора. Опыт тепловизионного контроля трансформаторов тока этого исполнения практически отсутствует. Можно лишь ожидать, что наиболее характерным дефектом трансформаторов тока при нагрузках, близких к номинальным, будут локальные нагревы в местах переключения обмоток.