Координация изоляции трансформаторов со сниженным ее уровнем

ВОПРОСЫ КООРДИНАЦИИ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СО
СНИЖЕННЫМ УРОВНЕМ ИЗОЛЯЦИИ.
А.К. Лоханин Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» (ФГУП ВЭИ)

Снижение уровней изоляции (испытательных напряжений) силовых трансформаторов является одним из решающих факторов повышения технико-экономических показателей трансформатора, а для трансформаторов сверхвысокого напряжения - непременным условием создания транспортабельных единиц и повышения их предельной мощности.
Таблица 1. Испытательные напряжения трансформаторов с Uном > 170 кВ

Степень снижения уровней изоляции отражает прогресс в производстве трансформаторов и разрядников, а также совершенство методов координации изоляции.
Снижение уровней изоляции систематически проводится как в отечественной практике (ГОСТ 1516.3 - 96), так и за рубежом.

Перспектива снижения уровней изоляции находит также свое отражение в международной стандартизации. В таблице 1 приведены соответствующие рекомендации из Публикации 76 МЭК «Силовые трансформаторы» (1ЕС 60076 - 3/ 2000).
Эффективность снижения уровней изоляции зависит от многих факторов: номинального напряжения, числа обмоток, размещения их на магнитопроводе, стоимости материалов, потерь и пр.
На рис.1 показана зависимость снижения потерь в стали и изменения массы меди, а на рис.2 - общей массы от степени снижения уровня изоляции для типовых конструкций трансформаторов напряжений 330, 500 и 750 кВ [ 1 ].
Таблица 2. Отношение рабочего напряжения к импульсному напряжению полного грозового импульса

Рис.1. Зависимость уменьшения потерь в стали и изменения массы меди от степени снижения уровня изоляции.

Рис.2. Зависимость уменьшения общей массы трансформатора от степени снижения уровня изоляции.
---------------  автотрансформатор
________  повышающий трансформатор

Рис. 4. Распределение напряжения вдоль обмотки с заземленной нейтралью.
U8(х) - распределение рабочего напряжения перед воздействием импульса;
U6(х), U7(х), и U5(х) - начальное распределение напряжения соответственно при отсутствии возбуждения, при обратной и при одинаковой полярностях импульса и рабочего напряжения; U4(х) - конечное распределение напряжения; U2(х), U1(х) и и3(х) - огибающие потенциалов соответственно при отсутствии возбуждения/

Рис. 3. Напряжение на зажимах обмотки возбужденного трансформатора при воздействии на нее импульса в случае обратной (а) и одинаковой (б) полярности импульса и полуволны рабочего напряжения.
В среднем для трансформаторов 330 - 750 кВ каждый процент снижения уровня изоляции приводит к уменьшению полной массы на 0,4 - 0,7% и к увеличению мощности на 0,1 - 0,8%.
Снижение уровня изоляции приводит к увеличению соотношения между значением рабочего и испытательного напряжений. В таблице 2 показано изменение этого соотношения применительно к трансформаторам 500 кВ. Этот фактор следует учитывать при разработке требований к изоляции.

Требования к грозовому импульсному напряжению

Величина рабочего напряжения может существенно влиять на перенапряжения, возникающие в трансформаторе при воздействии грозового импульса [2]. На рис.3 показаны напряжения на вводе обмотки трансформатора при воздействии на нее импульса обратной (а) и одинаковой (б) полярностей импульса и полуволны рабочего напряжения, а на рис. 4 - распределение напряжения вдоль обмотки с заземленной нейтралью при воздействии импульса обратной и одинаковой полярностей с рабочим напряжением, а также без рабочего напряжения.
обратной и при одинаковой полярностях импульса и рабочего напряжения.
Степень влияния рабочего напряжения зависит от соотношения значений рабочего напряжения и величины импульса в момент его воздействия, а также от соотношения воздействий при импульсном и рабочем равномерном распределении напряжения. В частности, соотношения между импульсными воздействиями на продольную изоляцию Ои при наличии рабочего напряжения обратной полярности (О;) и его отсутствии (О0) может быть выражено формулой:

где Ор - относительная величина воздействия при равномерном распределении напряжения.
При Ои = Ор влияние рабочего напряжения отсутствует, а его предельное значение равно 1+ ир/ии .
В качестве иллюстрации на рис.5 и 6 приведены результаты обмера на трансформаторе 60 МВА, 220/110 кВ.

Рис. 5. Значения градиентов полной волны в обмотке ВН модели автотрансформатора 60 МВА, 220/110 кВ (Црь/Цм =0,525)

1. - при возбужденном трансформаторе и обратной

полярности рабочего напряжения;

1. - без возбуждения трансформатора

Рис. 6. Значения и осциллограммы потенциалов полной волны в обмотке ВН модели автотрансформатора 60 МВА, 220/110 кВ.
1 и 2 - значения потенциалов в процентах им;
3 и 4 - изменение потенциала межкатушечного перехода № 14 в зависимости от времени (3 - при возбуждении обратной полярности, 2 и 4 - без возбуждения трансформатора)
Из вышеизложенного следует, что с повышением отношения величины рабочего напряжения и импульсного воздействия, перенапряжения в трансформаторе при несовпадении полярностей воздействий увеличиваются.
Следует отметить, что на влияние рабочего напряжения на уровень перенапряжений в обмотках трансформатора обращалось внимание еще на заре развития трансформаторного оборудования. В ранних стандартах СССР нормировались импульсные испытания при возбужденном трансформаторе. Далее в практике США и СССР при испытании невозбужденного трансформатора величина испытательного напряжения определялась с некоторым учетом этого фактора. Установленный при этом интервал координаций 1,3 - 1,4 не вызывал противоречий в практической эксплуатации.
Принятый в настоящее время метод координаций основан на выборе интервала между остающимся напряжением защитного аппарата при токе координации и испытательным напряжением. Он не учитывает в прямом виде всего многообразия импульсных воздействий, как по их величине, так и по форме, а также влияние рабочего напряжения, и, тем самым, не позволяет оценить надежность грозозащиты в зависимости от принятого уровня изоляции.
Для оценки надежности грозозащиты необходимо определить допустимые эксплуатационные воздействия, которые обычно представляют импульсы с пиками или высокочастотными колебаниями, наложенными на остающееся напряжение разрядника.
При совпадении полярности импульса и рабочего напряжения воздействия на продольную изоляцию не возрастают и амплитуды допустимых эксплуатационных воздействий будут определяться требованиями, предъявляемыми главной изоляцией.
В случае несовпадения полярностей импульса и рабочего напряжения допустимые эксплуатационные воздействия ир можно определить выражением:

где
кг - коэффициент, учитывающий отличие прочности изоляции при воздействии полного грозового импульса и эксплуатационного импульса; к2 - коэффициент, учитывающий степень увеличения воздействий на изоляцию при наличии рабочего напряжения;
UрЬ - значение рабочего напряжения относительно земли в момент воздействия грозового импульса; Uрьт - наибольшее рабочее напряжение относительно земли.
Значение ki можно определить из выражения:

При расчете эксплуатационных воздействий был применен вероятностный статистический метод, учитывающий связь максимальных значений токов молнии с их крутизнами, вероятностный характер значений токов молнии и вероятностный характер значений рабочего напряжения в момент воздействия грозового импульса.
При применении ограничителей перенапряжений с уровнем защиты при грозовых перенапряжениях, равном 1,8 , интервал координации составил от 1,25 до 1,27 при надежности грозозащиты в 500 и 1000 лет соответственно. Эти уровни надежности обычно принимаются в отечественной и мировой практике.

Координация изоляции относительно длительно воздействующего рабочего напряжения

При снижении уровня изоляции влияние рабочего напряжения повышается не только с точки зрения его взаимосвязи с воздействиями грозовых импульсов, но и с точки зрения обеспечения надежности изоляции при длительном воздействии рабочего напряжения.
В связи с этим возникают следующие вопросы:

1. Каким может быть предельно допустимое значение рабочей напряженности в изоляции.
2. Может ли влиять достаточно высокая рабочая напряженность на электрическую прочность изоляции при воздействии импульсных перенапряжений.
3. Как обеспечить проверку изоляции относительно длительного воздействия рабочего напряжения при выпуске трансформатора на заводе - изготовителе.

Для решения первого вопроса были проведены специальные исследования на моделях изоляции, воспроизводивших наиболее напряженные зоны при различных (возможных в эксплуатации) условиях в части температуры и влагосодержания [3].

Рис. 7. Вольт-секундная характеристика маслобарьерной изоляции
Результаты этих исследований показаны на рис. 7, где дана вольт-секундная характеристика маслобарьерной изоляции (основной вид изоляции, применяемый в трансформаторах сверхвысокого напряжения).
Исследования при воздействии напряжения длительностью до 1000 ч показали, что электрическая прочность главной изоляции в этом диапазоне длительностей определяется, как и при кратковременных воздействиях, электрической прочностью прилегающего к обмотке масляного канала, которая, в свою очередь, зависит от величины средней напряженности в канале, его ширины и конструкции дистанцирующих изоляционных деталей. Нарушение электрической прочности при всех исследованных длительностях происходит в виде пробоя канала, регистрирующегося как мощный частичный разряд (ЧР), интенсивность которого равна (1 - 5)-10-7 Кл.
Перед пробоем канала не наблюдается постепенного роста интенсивности ЧР выше уровня помех, равного (2,5 • 10-11 - 5 • 10-10) Кл.
Отсюда следует сделать вывод, что при указанном времени воздействия напряжения процессы ионизации, происходящие в малых объемах масла в местах повышенной напряженности, еще не оказывают влияния на электрическую прочность масляного канала и не участвуют в подготовке его пробоя, т.е. вольт-секундная характеристика в этом диапазоне определяется статистическими явлениями.
Экстраполируя вольт-секундную характеристику до времени, равного сроку службы трансформатора (25 лет), и принимая соотношение допустимой и минимальной напряженностей то же, что и при переменном одноминутном воздействии, получаем, что длительная электрическая прочность маслобарьерной изоляции, соответствующая этому времени, составляет 0,8 одноминутной прочности для всех исследованных конструкций изоляции.
Известно, что при длительном воздействии электрического поля на масляную и бумажную изоляцию (картон) происходит разложение их составляющих, вследствие протекания процессов слабой ионизации и токов проводимости с выделением газов, воды и шлама. При воздействии напряжения переменного тока наиболее существенное влияние на снижение электрической прочности изоляции, из числа вышеназванных продуктов разложения, могут оказать газы.
В масле работающего трансформатора всегда имеется определенное количество растворенных газов, которые попадают в него путем диффузии с его поверхности и возникают внутри трансформатора в результате термических и ионизационных процессов старения изоляции. Часть этих газов абсорбируется примесями, имеющимися в масле, а также твердой изоляцией и металлическими поверхностями, погруженными в масло.
Растворенный в масле и абсорбированный различными примесями газ может стать причиной снижения электрической прочности внутренней изоляции трансформатора, если он переходит в пузырьковое состояние. Газ в масле в растворенном состоянии и в пузырьках может существовать одновременно в основном в тех случаях, когда жидкость перенасыщена газом. При небольших колебаниях давления вероятность выделения абсорбированного газа существенно выше, чем растворенного. Волокна и твердая изоляция особенно эффективно абсорбируют газы, выделяющиеся из внутреннего источника, и очень слабо поглощают газ, поступающий путем диффузии через поверхность масла.

При длительном воздействии рабочей напряженности на изоляцию необходимо выполнение условий, при которых объемная концентрация газа в масле не должна превышать концентрации газа, соответствующей насыщенному маслу.
Для изучения процессов газовыделения при длительном воздействии электрического поля с напряженностью, близкой к допустимой, рассчитанной по вольт-секундной характеристике, были проведены специальные исследования.
Исследования показали, что в качестве допустимой напряженности в ближайшем к обмотке масляном канале, в средней части между обмотками, может быть принято значение, равное 50 кВ/см. При больших значениях напряженности были выявлены процессы газообразования с нарастанием в течение времени концентрации.
Исследования с наложением коммутационных импульсов на напряжение промышленной частоты показали, что при напряжении промышленной частоты, соответствующем до 55% среднего значения одноминутной прочности, не выявлено его влияния на прочность при коммутационном импульсе. При напряжении промышленной частоты, соответствующем 70% одноминутной прочности, пробой при коммутации импульса инициировал пробой при напряжении промышленной частоты.
Исследования показали, что в маслобарьерной изоляции, не имеющей случайных (производственных) дефектов, начальная стадия нарушения прочности представляет собой пробой масляного канала, отмечаемый как сильные ЧР, имеющие уровень (кажущийся заряд единичного разряда) 10-8 - 10"7 Кл. Производственные дефекты (нарушение сборочных допусков, газовые включения в твердом диэлектрике и т. п.) вызывают, как правило, местные неоднородности поля. Частичные разряды возникают при напряженности, существенно меньшей, чем пробивная; начальная стадия — несильные ЧР уровня 10 "9 - 10-10 Кл.
Изоляция должна отбраковываться, если при Uпов измерен уровень ЧР, вызывающий при длительном воздействии рабочего напряжения необратимые изменения (повреждения) в изоляции.
На основании отечественных исследований, с учетом зарубежных публикаций, следует считать, что при длительном воздействии рабочего напряжения недопустимы ЧР уровня 10-9 Кл. Такие ЧР представляют собой, например, начальную стадию повреждения главной изоляции обмотки в месте, где за ее поверхность выступает, касаясь изоляционного цилиндра, межкатушечное соединение. В этом и других подобных случаях „слабые” скользящие разряды вдоль изоляционного барьера за время от десятков часов до одного часа (в зависимости от ряда факторов) вызывают в твердом диэлектрике повреждения, которые могут привести к его полному перекрытию.
Испытание изоляции для выявления дефектов, способных при рабочем напряжении вызвать ЧР уровня 10-9 Кл, должно проводиться при напряжении Uпов, превышающем рабочее напряжение (кратность Uпов по отношению к рабочему напряжению обозначаем кпов). Это превышение должно учитывать разброс напряжения возникновения ЧР, обусловливаемый статистическим характером прочности трансформаторного масла, а также возможность снижения прочности изоляции в эксплуатации по сравнению с прочностью во время заводского испытания.
По данным наших исследований возможное в эксплуатации увеличение влагосодержания изоляции, по сравнению с влагосодержанием при испытании трансформатора на заводе, повышает разброс напряжения возникновения ЧР с уровнем 10-9 Кл и снижает среднее значение этого напряжения.
Полученные данные могут быть следующим образом учтены при выборе кпов. Для трансформаторов с силикагелевым осушителем и термосифонным фильтром
где
1,3 и 2,3 — коэффициенты, соответствующие (при нормальном распределении) 90% вероятности отбраковки при приемо-сдаточном испытании трансформатора с дефектом изоляции и 99% вероятности невозникновения ЧР уровня 10-9 Кл в эксплуатации при рабочем напряжении;
0,08 и 0,1 —коэффициенты вариации напряжения возникновения ЧР соответственно в условиях испытания и эксплуатационных, определенные из исследования;
0,95 — коэффициент, учитывающий снижение в эксплуатации среднего значения напряжения возникновения ЧР.
Для трансформаторов с более совершенными системами защиты изоляции от увлажнения аналогичные расчеты выявляют возможность применения кПОВ со значениями меньшими 1,5, вплоть до 1,3.
Таким образом, рассмотренные выше особенности координации изоляции силовых трансформаторов со сниженным уровнем изоляции позволят более обоснованно подойти к выбору уровня испытательных напряжений и проверки качества изоляции при длительном воздействии рабочего напряжения.

Отечественный опыт разработок и эксплуатации силовых трансформаторов со сниженным уровнем изоляции

В последние годы практически все трансформаторы сверхвысокого напряжения разрабатываются в России со сниженными уровнями изоляции (ГОСТ 1516.3 - 96, уровень «а»).
Накопленный к последнему времени опыт позволяет поставить вопрос о дальнейшем снижении уровней изоляции. Прежде всего, следует еще раз напомнить об уникальной (не имеющей аналогов в мировой практике) разработке трансформаторов 500 кВ мощностью 135 МВА (таблица 3).
В конце 1979 - начале 1980 г.г. группа однофазных трансформаторов, разработанных ВИТ и ВЭИ, изготовления завода «Запорожтрансформатор», была установлена на Волжской ГЭС. Характеристики трансформаторов приведены в таблице 3. Максимальная напряженность в масляном канале соответствовала 4,6 кВ/мм.
Таблица 3. Характеристики трансформатора 135 МВА, 500 кВ со стандартным и резко сниженным уровнями изоляции

В 1987 - 1989 годах еще три группы подобных трансформаторов были введены в эксплуатацию на Волгоградской ГЭС. Трансформаторы находятся в постоянной эксплуатации. До настоящего времени каких-либо замечаний и неполадок в эксплуатации не было.
Успешная эксплуатация этих трансформаторов позволила разработать позднее и поставить в эксплуатацию несколько типов других трансформаторов: автотрансформатор мощностью 167 МВА, 500/220 кВ (таблица 4), трехфазные трансформаторы мощностью 660 и 210 МВА на 500 кВ.
Таблица 4. Характеристики автотрансформатора 167 МВА, 500/220 кВ со стандартным и сниженным уровнями изоляции

В настоящее время успешно эксплуатируются 18 единиц автотрансформаторов мощностью 167 МВА, 500/220 кВ, 15 единиц трансформаторов мощностью 135 МВА, 500 кВ и 9 единиц трансформаторов мощностью 630 МВА, 500 кВ.
Следует отметить, также, что уже более 30 лет эксплуатируются трансформаторы на напряжение 150 - 220 кВ со сниженными уровнями изоляции.
Отечественный опыт эксплуатации показал, что не было выхода из строя трансформаторов на напряжения 150 - 750 кВ по причине сниженного уровня изоляции.
Все это говорит о том, что есть все основания сделать следующий шаг в снижении уровня изоляции: ввести в ГОСТ 1516.3 более низкий (на ступень) уровень изоляции для трансформаторов 110 - 750 кВ и расширить эксплуатацию таких трансформаторов.
ЛИТЕРАТУРА

1. С.Д. Лизунов, А.В. Сапожников. Влияние рабочего напряжения на импульсные перенапряжения в обмотках трансформаторов. «Электричество», 1966 г., №10.
2. A.K. Lokhanin, T.I. Morozova, L.N. Shifrin, A.I. Savchenko. Technical and economical efficiency of reducing the insulation level of power transformers and service experience concerned. CIGRE 2000 rep.33 - 105.
3. V.V. Gurin, S.D. Lizunov, . A.K. Lokhanin, T.I. Morozova, V.V. Sokolov. Service experience and requirements for insulation high-voltage tests of EHV power transformers and shunt reactors. CIGRE 1992 rep.12 - 202.