Ресурсные испытания для определения ожидаемого срока службы трансформаторов

Трансформатор в условиях эксплуатации в общем случае работает при изменяющейся нагрузке и температуре охлаждающей среды. Он подвергается непрерывным воздействиям температуры, рабочего напряжения и вибрациям, а также эпизодически разного вида перенапряжениям (коммутационным, грозовым) и коротким замыканиям.
Как показывает опыт эксплуатации,  из всех элементов трансформатора наиболее уязвимой и определяющей срок его службы является изоляционная система. Она подвергается тепловым, электрическим, механическим и химическим воздействиям, относительная значимость которых зависит от свойств применяемых материалов. Трансформатор и его система защиты должны быть так спроектированы, чтобы параметры этих воздействий не превосходили допустимых качений.
Соответствие трансформаторов (как и любого другого оборудования) эксплуатационным требованиям определяется путем функциональной оценки, т. е. оценки их способности выполнять свои функции с требуемой надежностью в течение экономически целесообразного срока службы. Эта оценка производится либо путем обобщения опыта эксплуатации, если такой имеется, либо ресурсными испытаниями.

Ресурсные испытания позволяют оценивать срок службы новых конструкций изоляционных систем, в том числе и конструкций, в которых применены новые изоляционные материалы или их сочетания, а также сравнивать срок  службы разных вариантов конструкций.

Трансформаторы относятся к оборудованию с длительным сроком службы; согласно ГОСТ 11677-75 срок службы принят равным 25 лет. Испытания же ожидаемого срока службы имеют практический смысл только в случае, если они могут быть проведены в существенно более короткие сроки, например за один-два года. Такое сокращение сроков испытаний осуществимо путем соответствующего усиления температурных воздействий, а также благодаря тому, что зависимость скорости старения изоляции от температуры наиболее изучена. Это позволяет оценивать срок службы изоляции, или ее ресурс, путем соответствующей экстраполяции.
Общие требования к методике ускоренных испытаний систем изоляции электротехнического оборудования содержатся в ГОСТ 10518-72. С учетом этих требований должны разрабатываться частные методики испытаний для отдельных видов изделий.
Поддержание заданной температуры при испытаниях с требуемой точностью легче всего обеспечить в испытательных термостатах. Однако условия таких испытаний будут существенно отличаться от реальных условий работы изоляции трансформаторов, на которую кроме температуры одновременно воздействуют рабочее напряжение и вибрации, а в изоляции имеют место соответствующие температурные градиенты. Поэтому ресурсные испытания ведутся под нагрузкой, обеспечивающей в наиболее нагретой точке обмотки требуемую температуру, при этом должны быть приняты соответствующие меры по поддержанию колебаний температуры в заданных пределах [не более ± (1,5—2,0)°С].
Испытания должны проводиться не менее чем при трех испытательных температурах, отличающихся друг от друга не менее чем на 20°С. Наименьшая испытательная температура должна быть на 15—30°С выше предельно допустимой температуры ожидаемого для изоляции класса нагревостойкости. Наибольшая испытательная температура ограничивается значением, при котором один доминирующий процесс разрушения заменяется другим. Она может быть проверена с помощью тепловизоионной спектроскопии, которая дает информацию о характере химической реакции, протекающей при тепловом старении в течение времени для любой температуры. Если характер реакции не изменяется при переходе от рабочих температур к испытательным, можно считать доказанным, что экстраполяция кривых старения к рабочим температурам будет правильной.
Для более полной имитации эксплуатационных условий и при учете того, что разрушение изоляции трансформатора происходит под влиянием ряда воздействий, испытания проводятся циклически с повторяющимися циклами. Каждый испытательный цикл состоит из периода приложения нагрузки, обеспечивающей требуемую температуру в наиболее нагретой точке обмотки, после которого испытательные объекты подвергаются механическим и электрическим испытаниям. Считается, что объект исчерпал свой ресурс, если он не выдержал какое-либо из этих испытаний!
Испытание на тепловое старение в каждом цикле должно производиться непрерывно и желательно с непрерывным измерением температуры обмоток. Если это невозможно, то производят измерения температуры обмоток с кратковременным отключением не менее 6 раз в сутки.
Продолжительность теплового старения в каждом цикле принимается равной приблизительно 10% ожидаемого ресурса при принятой испытательной температуре. Среднее количество циклов при любой из испытательных температур, вычисленное как среднее арифметическое количество циклов до выхода из строя каждого испытательного объекта, включая цикл, в котором произошел выход из строя, должно быть не менее 7. В противном случае испытания должны быть повторены при продолжительности испытаний и температуре как для материала с меньшей нагревостойкостью. Достоверными следует считать испытания, при которых средние количества циклов, полученные при каждой температуре испытаний, не отличаются друг -от друга более чем в 2 раза. В табл. 1 приведены рекомендуемые ГОСТ 10518-72 испытательные температуры и длительность их воздействия в каждом цикле при испытаниях систем изоляции классов нагревостойкости А и Е, которые применяются для силовых масляных трансформаторов.

Таблица 1. Продолжительность в сутках теплового старения в каждом цикле при ускоренных ресурсных испытаниях

Интенсивность испытательных воздействий после теплового старения указывается в частных методиках. Так, например, по предложенной в   Американским институтом инженеров-электриков (AIEE) «Методике экспериментальных тепловых испытаний распределительных масляных трансформаторов» для выявления момента полного использования ресурса после периода нагрузки трансформаторы подвергаются динамическим испытаниям 15-кратным током в течение 2 с, испытаниям полным грозовым и коммутационным импульсом, равным 65% значения, установленного для новых трансформаторов, испытаниям индуктированным напряжением, равным 130% номинального напряжения.