Диагностические характеристики, основанные на измерении электромагнитных параметров трансформатора
Возникновение дефектов и повреждений в ряде случаев обуславливает изменение активного и индуктивного сопротивлений обмоток, а также тока и потерь холостого хода, так что электромагнитные параметры трансформатора могут служить эффективными диагностическими характеристиками.
Характерные дефекты, выявляемые с помощью измерения тока и потерь холостого хода; тока, потерь и сопротивления короткого замыкания, а также изменения сопротивления обмоток постоянному току.
Определение коэффициента трансформации
Результаты измерения сравниваются с расчетными или паспортными данными. Результаты измерений считаются удовлетворительными, если отклонение значений не превышает 2 %. Очевидно, что в процессе эксплуатации коэффициент трансформации может измениться только вследствие повреждения, и допускаемое отклонение определяется в основном погрешностью измерения. В случаях, если напряжение регулировочной ступени менее 2 %, а также для проверки качества ремонта с заменой обмоток, такая точность измерения может быть недостаточной. Стандарт IEEE определяет допустимое отклонение не более ±0,5%.
Однако такая точность также может быть недостаточной, например, при определении числа витков в ступенях peгулировочных обмоток, а также в обмотках ВН с большим числом витков.
Измерение тока и потерь холостого хода
Потери и ток холостого хода при номинальном напряжении являются важными характеристиками для контроля качества изготовления, а также ремонта трансформатора, требующего расшихтовки верхнего ярма магнитопровода.
Для трехфазных трансформаторов значение потерь не должно отличаться от паспортного (исходного) более чем на 5%. Для однофазных трансформаторов отличие полученных значений от исходных не должно быть более 10 %.
Вместе с тем равномерное увеличение потерь при измерениях на пониженном напряжении после ряда лет эксплуатации наблюдается часто в бездефектном оборудовании.
При оценке изменения токов холостого хода следует учитывать, что в большинстве случаев дефектное состояние характеризуется различием между значениями токов в крайних фазах или по сравнению с предыдущими измерениями более 10%.
Измерение сопротивления короткого замыкания
Оценку состояния обмоток трансформатора производят путем сравнения измеренных по фазам данных с данными предыдущих измерений. Значение относительного изменения сопротивления КЗ при возникновении деформации обмотки зависит от конструкции трансформатора. Обычно предельное отклонение нормируется на уровне 3 %.
Измерение потерь короткого замыкания
Потери от потока рассеяния могут служить эффективной диагностической характеристикой для определения замыкания параллельных проводников в обмотках. Деформация обмотки или ее частей также вызывает существенные изменения потерь.
Диагностические возможности измерений потерь от потока рассеяния наиболее эффективно реализованы в методе определения частотной зависимости потерь в диапазоне частот 20—600 Гц.
Измерение сопротивления обмоток постоянному току
Измерение выявляет ухудшение контактов, особенно в местах присоединения отводов к вводам, а также размыкаемых контактов РПН.
Возможными дефектами в обмотке могут быть обрыв или замыкание параллельных проводников, лопнувшая пайка (перемежающийся контакт или обрыв). Такие явления обычно приводят к изменению сопротивления на несколько процентов.
Перегрев и эрозия контактов вызывает увеличение исходной величины переходного сопротивления в несколько (и даже в десятки) раз.
Исходное значение сопротивления размыкаемых контактов РПН составляет обычно 40—200 мкОм. Увеличение переходного сопротивления контакта в 3—4 раза может быть признаком дефектного состояния, после чего можно ожидать лавинообразное нарастание сопротивления. На этой стадии состояние контактов может быть улучшено посредством многократного переключения. Увеличение переходного сопротивления в 5—10 раз может быть обусловлено уже необратимой эрозией поверхностей, и для восстановления нормального состояния требуется специальная механическая обработка либо замена контактов.
Причинами, увеличивающими сопротивления элементов контура, могут быть:
• слабое контактное нажатие;
• подгар контактов контактора;
• подгар контактов избирателя вследствие «свисания» подвижных контактов или длительной работы на одном положении;
• некачественная затяжка болтовых соединений либо плохая прессовка прессованных контактов отводов.
Для оценки состояния контактов также используются:
• значения сопротивления, измеренные на разных положениях реверсора;
• разница между сопротивлениями, измеренными на четных и нечетных ступенях РПН;
• характер изменения сопротивления при увеличении/уменьшении числа витков относительно основного положения. Сопротивления обмоток трехфазных
трансформаторов, измеренные на одинаковых ответвлениях разных фаз при одинаковой температуре, не должны отличаться более чем на 2%.
Характеристики изоляции
Возможность обнаружения дефектов по характеристикам изоляции
Возможности выявления дефектов в различных изоляционных промежутках существенно отличаются.
Выявить изменения состояния продольной изоляции с помощью характеристик изоляции практически не представляется возможным.
Чувствительность характеристик изоляции к изменению состояния твердых компонентов зависит от удельной доли изоляции и удельной емкости дефектного участка.
При оценке характеристик маслобарьерной изоляции учитываются следующие исходные характеристики основных компонентов.
Электрокартон (сухой, чистый, пропитанный маслом):
Содержание йоды, %....................................................<0,5
Значение tgδ при 20-70 °С, %...........................................<0,5
Электропроводность при постоянном напряжении (у2о), Ом-1м-1.........<2,5 • 10-13
Диэлектрическая проницаемость, ск.....................................4, 5
Трансформаторное масло, залитое в трансформатор:
Влагосодержание при температуре 60—70 °С, г/т.........................<10—15
tgS при температуре 90 °С, %............................................<0,5
Коэффициент полярности масла (практически неполярного).............Е20 — п\ < 0,01,
В реальной конструкции трансформатора результат измерения характеристик изоляции зависит от состояния твердой изоляции, масла, поверхности изоляции, а также соотношения долей жидкого и твердого диэлектрика и их композиции в изоляционном промежутке.
В большинстве случаев влияние поверхностной составляющей на результат измерения оказывается существенным только при весьма сильном загрязнении.
В таблице 6 представлены характерные изменения диэлектрических характеристик в зависимости от вида дефектов.
Тангенс угла диэлектрических потерь и емкость изоляционного промежутка
Для маслобарьерной изоляции тангенс угла диэлектрических потерь при промышленной частоте может быть представлен в виде суммы из двух составляющих, одна из которых зависит от тангенса угла потерь картона, а другая от тангенса угла потерь масла:
tgδ = Ab • tgδK + Ам • tgδM.
Коэффициенты KQ и Км, учитывают, соответственно, долю картона и масла в промежутке. Коэффициент К0 в зоне межобмоточной изоляции мощных трансформаторов обычно составляет 0,4—0,6.
При измерении tg8 без масла чувствительность измеряемой характеристики к изменению состояния барьеров повышается на 20-30%.
Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь сухой или малоувлажненной изоляции от температуры имеет U-образный характер вследствие экранирующего влияния влаги на ионы примесей, ответственных за изменение проводимости и tg8 целлюлозы. В диапазоне температур 20—70°С значение tgδ не превышает 0,5%. Поэтому значение tgδK < 0,5% может быть принято в качестве нормы для малоувлажненной изоляции.
Информация о нормируемых значениях tgδ изоляции трансформаторов приведена в табл. 7.
Бездефектное состояние изоляции различных изоляционных промежутков должно удовлетворять следующим критериям:
• емкость участка остается практически неизменной, несколько снижаясь после нагрева (особенно в промежутке ВН-бак) вследствие некоторого снижения диэлектрической проницаемости масла;
• tgδ участка «обмотка ВН-бак» в температурном диапазоне 20—70 °С, скорректированный на величину tgS вводов, не должен превышать значение:
0,2 + 0,6tgδM, %
где tgδM — значение тангенса угла диэлектрических потерь масла при температуре измерения;
• tgδ участка «ВН-НН» в температурном диапазоне 20—70 °С не должен превышать значение
0,3 + 0,5tgδM;
дефектное состояние может характеризоваться также понижением tgδBH пн в случае сильного загрязнения барьеров. Участок «обмотка НН—бак» часто включает изоляционные детали, выполненные из бакелита, дерева, ламинированной древесины и т. п., исходные значения tgS которых могут существенно отличаться от значений для целлюлозы и составлять более 1 %, в зависимости от материала и остаточной влажности, которая в толстых ламинированных и бакелитовых изделиях обычно превышает 1 %. Поэтому следует учитывать исходное значение, полученное при заводских испытаниях.
Сопротивление изоляции
Наиболее частой причиной изменения Rlu является загрязнение поверхности покрышек вводов, поэтому требуется тщательная предварительная очистка доступных поверхностей, а также применение экранных колец для отвода поверхностных токов из измерительной системы.
Сопротивление маслобарьерной изоляции зависит от проводимости барьеров, а также от электропроводности масла и поверхностной проводимости. При данной влажности барьеров сопротивление изоляции варьируется между максимальным значением (трансформатор без масла) и минимальным (масло полностью проводящее). Предельные значения сопротивления изоляции обычно не нормируются. Измеренные данные сравнивают с исходными и учитывают при рассмотрении общего состояния изоляции. Предполагается, что ухудшение состояния изоляции по сравнению с состоянием на заводе должно вызывать снижение сопротивления; в некоторых случаях снижение сопротивления более чем в 2 раза считается неудовлетворительным.
Из-за определяющего влияния проводимости масла оценка результатов измерения часто вызывает затруднение, поскольку во многих случаях наблюдается значительное увеличение Rиз в эксплуатации.
Абсорбционные характеристики
К абсорбционным характеристикам изоляции относятся изменения проводимости от времени, емкости от времени и частоты, а также тангенса угла потерь от частоты.
Измерение частотной зависимости tgS, особенно при очень низкой частоте (< 0,1 Гц), дает высокую чувствительность к увлажнению.
Следует отметить, что все электрические характеристики, основанные на параметрах тока абсорбции, взаимосвязаны и изменение одной из них означает, что соответственно должны измениться и другие. Отличие может быть преимущественно в диапазоне изменения.
Коэффициент абсорбции
Для залитого маслом трансформатора значение коэффициента абсорбции зависит от значений сопротивления изоляции, температуры, проводимости масла, а также от конструкции участка (степени заполнения твердой изоляцией).
Традиционно считается, что хорошая изоляция характеризуется значением ка > 1,3.
Однако, при высоком сопротивлении масла постоянная времени поляризационных процессов может быть соизмерима со временем измерения сопротивления изоляции, и коэффициент абсорбции может быть близок к единице.
Зависимость емкости от времени использована в приборе ЕВ. Показателем состояния (увлажненности) изоляции является отношение АС/С.
Метод хорошо зарекомендовал себя при контроле степени увлажнения изоляции трансформаторов без масла в процессе ревизии (ремонта) активной части, а также в процессе сушки. Метод восстанавливающегося напряжения RVM (прибор Tettex RVM 5461)
Метод предусматривает анализ спектра поляризации при измерении напряжения, восстанавливающегося после кратковременного замыкания предварительно заряженного объекта.
Основная (доминирующая) постоянная времени, приближенно соответствующая максимуму восстанавливающегося напряжения, зависит от изменения состояния изоляции, например, из-за увлажнения или образования продуктов старения.
Для сухой несостаренной изоляции основная постоянная времени RVM составляет более 1000 с. Значительное ухудшение изоляции характеризуется ее снижением до значения менее 10 с.
В трансформаторах, залитых маслом, на результат измерения влияют параметры масла и относительное заполнение промежутка твердой изоляцией. Поскольку влияние указанных факторов метод не учитывает, СИГРЭ не рекомендует использовать его для прямой интерпретации степени увлажнения.
Опыт показывает, что RVM, так же как и другие абсорбционные методы, может более успешно применяться для оценки состояния сравнительно однородной изоляции (бумажно-масляная изоляция трансформаторов, вводов и др.).
Метод измерения тока поляризации
и деполяризации (РDC Analyzer 3205)
Метод разработан с учетом влияния особенностей конструкции трансформаторов на протекание абсорбционных процессов. В качестве основного объекта контроля выбран участок между обмотками.
Метод предполагает выявление следующих дефектов:
• повышенной влажности целлюлозной изоляции;
• повышенной проводимости масла за счет продуктов старения или пиролиза;
• химического загрязнения целлюлозной изоляции;
• обуглероженных следов разрядов.
Частотная зависимость тангенса угла потерь Метод представляет собой дальнейшее развитие абсорбционных методов с использованием измерения тангенса угла диэлектрических потерь в широком частотном спектре. Метод также рассчитан на контроль маслобарьерной изоляции, с учетом реальных соотношений жидкого и твердого компонентов. Основными задачами метода являются измерение влажности целлюлозы и проводимости масла.
