Особенности конструкции высоковольтных трансформаторных вводов

Министерство образования и науки РФ

Технический институт (филиал)

Федерального Государственного Автономного Образовательного учреждения Высшего Профессионального Образования

 «Северо-Восточный Федеральный Университет имени М.К.Аммосова»

в г. Нерюнгри

 

 

 

Контрольная работа №1

По дисциплине: «Диагностика общепромышленных электроприводов»

На тему: «Особенности конструкции высоковольтных трансформаторных вводов»

 

 

 

 

 

 

Выполнила: ст.гр.ЭП-11

Карпенкова Н.Ю.

Проверил: Шабо Камил

 

 

 

 

 

 

 

Нерюнгри 2015 
ВВЕДЕНИЕ

Высоковольтные вводы силовых трансформаторов (автотрансформаторов) и реакторов служат для надежной работы силового электротехнического оборудования, электрических сетей, электростанций и электроэнергетических систем.

Окружающая среда: воздух-масло.

Номинальное напряжение: 35 - 1150 кВ (35, 36, 52, 66, 110, 145, 150, 220, 330, 500, 600, 750, 1150 кВ).

Номинальный ток: 315-3500 А.

Вводы поставляются в любом климатическом исполнении.

Современные высоковольтные трансформаторные вводы полностью взаимозаменяемы по установочным и присоединительным размерам с выпускавшимися ранее вводами устаревших конструкций. Что позволяет применять высоковольтные вводы новой конструкции при профилактических, плановых или аварийных ремонтных работах на силовых трансформаторах, находящихся в эксплуатации.

Все вводы сертифицированы на соответствие ГОСТ 10693-81(Вводы конденсаторные герметичные на номинальные напряжения 110 кВ и выше. Общие технические условия) и другим нормативным документам Госстандарта России. Вводы также соответствуют Стандарту МЭК 60137 (Вводы изолированные для переменных напряжений свыше 1000 В).

 

КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ВВОДОВ

Рисунок 1 - Конструкция вводов высоковольтных трансформаторов

Начнем с краткого описания конструкции высоковольтных трансформаторных вводов, показанной на рисунке "a". Основным элементом высоковольтного ввода является токопроводящая труба «1», при помощи которой обмотка трансформатора подключается к внешней линии. На проводящую трубу, через изоляционные промежутки в 2 – 5 мм, намотаны слои фольги «2».

В маслонаполненных вводах изоляционные промежутки создаются слоями бумаги, находящимися в среде масла. В современных вводах между слоями фольги, называемых обкладками, расположены слои RIP изоляции (Resin Impregnate Paper), которая состоит слоев специализированной бумаги, пропитанной специальными компаундами дословный перевод: пропитанная смолой бумага.

Конструктивно ввод напоминает концентрический коаксиальный конденсатор, в котором высокий потенциал, от токопроводящего стержня до крышки бака трансформатора, равномерно распределен между обкладками. Последней, внешней обкладкой такого конденсатора, является металлическое конструкционное кольцо «3» ввода, при помощи которого сам ввод монтируется в отверстии бака трансформатора «4».

По мере удаления от проводящего стержня ширина (высота) проводящих обкладок уменьшается. Это сделано для того, чтобы высокий потенциал рабочего напряжения обмотки трансформатора распределялся по максимально длинному пути. Этот поверхностный путь начинается от верхнего и нижнего концов токопроводящего стержня, и до крышки бака трансформатора, конструктивное кольца «3». Кроме того необходимо, чтобы емкость отдельных элементарных конденсаторов была одинаковой, что важно для равномерного распределения напряжения в радиальном направлении.

С точки зрения электрической схемы замещения трансформаторный ввод представляет собой цепь из последовательно включенных конденсаторов, образованных проводящими обкладками ввода. Верхний конец этой последовательной цепи конденсаторов подключен к высокому потенциалу - проводящему стержню, а нижний конец соединен с корпусом бака трансформатора. От последней обкладки, перед корпусом трансформатора, сделан специальный вывод, который на рисунке обозначен цифрой «5». В литературе этот вывод называется «Test Tap», т. е. вывод, при помощи которого производятся измерения параметров изоляции ввода, согласно общепринятой терминологии «измерительные тесты». Во время работы ввода этот вывод должен быть всегда заземлен. В отечественной литературе его просто называют «измерительный вывод, иногда называя просто«ПИН», что не совсем правильно.

В некоторых конструкциях вводов предусматривается возможность отбора энергии для работы систем и защит трансформатора, например, для работы РПН. С этой целью используется специальный вывод от предпоследней обкладки ввода. Этот вывод в литературе называется «Potential Tap», к нему может быть подключено устройство для преобразования энергии тока проводимости ввода в одно из стандартных напряжений. Если отбор мощности от ввода не планируется, то и этот вывод в процессе работы трансформатора необходимо заземлять. Конструктивно вывод «potential tap» обычно отличается от вывода «test tap».

 

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ВВОДА

Полная схема замещения ввода с двумя выводами приведена на рисунке "b", она состоит из трех емкостей C1, C2 и C3. В подавляющем большинстве конструкций вводов отбор мощности не предусматривается, поэтому вывод «potential tap» в них отсутствует. В этом случае в схеме замещения ввода емкости C1 и C2 объединяются в одну. В результате в схеме замещения ввода остаются только две емкости, которые в литературе обозначаются как C1 и C2. В отечественной литературе емкость C2 достаточно часто обозначается как C3, что в некоторой мере соответствует логике, но не соответствует международным стандартам. Ниже мы везде будем пользоваться общепринятым термином C2.

 

ДЕФЕКТЫ ИЗОЛЯЦИИ ВВОДА

Рассмотрим наиболее характерные дефекты изоляции высоковольтных трансформаторных вводов, особенности зарождения и развития этих дефектов, а также причины, приводящие к аварийным ситуациям. При этом основное внимание уделим проблемам, которые возникают с емкостью C1, наиболее часто повреждающейся в маслонаполненных вводах, а тем более во вводах с RIP изоляцией.

Емкость C2 практически полностью зависит от состояния масла во вводе, так как весь изоляционный промежуток между последней обкладкой ввода и конструктивным кольцом «3» заполнен именно маслом. Это очень важный диагностический параметр состояния ввода, однако, нам не известны какие-либо успешные технические решения, позволяющие определять параметры C2 на работающем трансформаторе, поэтому данный вопрос мы не будем рассматривать.

Рисунок 2 - Дефекты изоляции ввода

Первым признаком ухудшения технического состояния ввода является изменение параметров изоляции, причем обычно не всего объема, а только одного из концентрических изоляционных слоев. Это происходит из-за возникновения какого-либо локального дефекта изоляции, так или иначе обусловленного технологией производства ввода, реже особенностями эксплуатации. Это может быть или вкрапление в изоляцию проводящей частички, газовый или жидкостный пузырек, или просто дефект, возникший по причине нарушения технологического процесса при изготовлении изоляции, как это показано на рисунке "a". Возможным дефектом изоляции ввода может явиться общее увлажнение ввода.

Возникновение любого из перечисленных дефектов всегда приводит к увеличению активных потерь в изоляции, т. е. к увеличению тангенса угла потерь изоляции. Необходимо хорошо понимать, что если речь идет о дефекте только одного слоя изоляции, то общий тангенс угла потерь всего ввода может измениться незначительно. При одинаковой степени развития дефекта тангенс угла потерь в изоляции измениться тем больше, чем больше будет зона дефекта, чем больше слоев он захватит.

Появление практически всех дефектов в изоляции ввода, за исключением случаев общего увлажнения масла и твердой изоляции, приводит к возникновению частичных разрядов, которые можно зарегистрировать на измерительном выводе ввода. При этом уровень частичных разрядов будет зависеть только от типа дефекта и степени его развития, а суммарная интенсивность разрядов будет определяться объемом зоны, в которой эти разряды возникают.

Третий диагностический признак наличия дефектов в изоляции вводов, который заключается в контроле изменения величины емкости C1, на данном этапе никак не работает, ток проводимости через ввод практически еще не изменился. В данном случае мы назвали этот диагностический параметр третьим. Хотя на самом деле он является основным, и наиболее важным, особенно в системах защиты трансформаторов от повреждения вводов, что покажем чуть ниже.

В результате мы можем сказать, что все основные дефекты, зарождающиеся в изоляции вводов, можно диагностировать по изменению величины тангенса угла потерь, и по наличию частичных разрядов. Наиболее информативным диагностическим параметром являются частичные разряды, их амплитуда всегда связана с типом и степенью развития дефекта. Вне зависимости от размеров зоны дефекта в изоляции, амплитуда импульсов частичных разрядов будет соответствовать интенсивности процессов разрушения изоляции.

С мониторингом тангенса угла потерь в изоляции вопрос стоит несколько иначе. Например, двукратное увеличение активных потерь в одном слое изоляции приведет к увеличению общих потерь во всей изоляции ввода всего лишь на единицы процентов. Очевидно, что это не позволит правильно оценить степень опасности при возникновении локальных дефектов. Наибольшая польза от мониторинга тангенса угла потерь будет при контроле степени увлажнения изоляции, хотя этот дефект будет виден и при контроле токов проводимости вводов.

Второй этап развития дефектов в изоляции вводов, показанный на рисунке "b", заключается в том, что дефект развивается настолько, что может трансформироваться не только по своей локализации, но и по своей физической природе. Классическим примером этого является случай, во многом свойственный только высоковольтным вводам, когда развившийся локальный дефект захватывает весь слой изоляции между двумя проводящими обкладками ввода. В этом случае происходит перекрытие всего изоляционного промежутка, т. е. замыкание двух обкладок емкости C1, со всеми вытекающими из этого последствиями, основными из которых являются два.

• Во-первых, исчезают все диагностические признаки дефекта, характерные для первой фазы его возникновения и развития (!). Повышенная величина тангенса угла потерь изоляции, свойственная первой фазе развития дефекта, уменьшается практически до нормального значения, исчезают все частичные разряды. Причина такого «улучшения состояния изоляции ввода» проста и понятна, дефектная зона изоляции, которая генерировала эти диагностические признаки, зашунтирована зоной пробоя, и к зоне дефектов «первой фазы развития» приложено нулевое напряжение. При проведении измерений параметров изоляции ввода на этой фазе развития дефекта, скорее всего, возникнет иллюзия улучшения состояния изоляции, что на самом деле не соответствует реальной картине.

• Во-вторых, изменение количества последовательно включенных в схему замещения ввода элементарных конденсаторов, на единицу, приведет к скачкообразному увеличению емкости C1, на величину, обратно пропорциональную общему количеству обкладок во вводе. В результате увеличения емкости ввода произойдет пропорциональное увеличение тока проводимости, протекающего через изоляцию ввода.

В результате на этом этапе развития дефектов в изоляции мы имеем только один информативный диагностический признак – увеличенный ток проводимости дефектного ввода, других «внешних» признаков ухудшения состояния изоляции нет.

Дальнейшее разрушение изоляции ввода будет происходить по сценарию «ухудшения состояния изоляции по спирали». К оставшимся обкладкам остова ввода прикладывается повышенное напряжение, так как общее количество последовательно включенных конденсаторов в схеме замещения ввода уменьшилось на единицу. Чаще всего это приводит к тому, что на одном из оставшихся изоляционных промежутков, из-за повышенного напряжения, появляется и начинает развиваться новый дефект, как показано на рисунке 2.c. Снова увеличивается тангенс угла потерь в изоляции, снова возникают частичные разряды, дефект развивается, расширяться в объеме. В конечном итоге все это снова завершается пробоем изоляционного промежутка, исчезновением первичных диагностических признаков, увеличением тока проводимости ввода, и т. д.

После пробоя очередного изоляционного промежутка напряжение на оставшихся обкладках возрастает еще больше, что рано или поздно приведет к лавинообразному разрушению всей изоляционной структуры ввода, и аварийному выходу трансформатора из эксплуатации. При этом изменение (увеличение) тангенса угла потерь изоляции и появление частичных разрядов будет происходить только периодически, без видимой связи с условиями эксплуатации ввода.

Наиболее достоверным признаком наличия опасных и развивающихся дефектов будет являться последовательное увеличение емкости ввода C1. Если же речь идет о диагностике развивающихся дефектов ввода при помощи систем защиты, или диагностического мониторинга, то основным диагностическим признаком разрушения ввода будет увеличение тока проводимости изоляции.

 

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ДЕФФЕКТОВ ВВОДА

Повторим еще раз основные диагностические признаки, позволяющие выявлять дефекты состояния высоковольтных трансформаторных вводов:

• Тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции - «tg d». Это наименее информативный параметр, позволяющий проводить диагностику, а тем более осуществлять защиту трансформатора от повреждения вводов. Причины этому две – слабое влияние потерь в локальной зоне дефекта на параметры всей изоляции ввода, и периодическое снижение параметра при шунтировании зоны дефекта пробоем изоляционного промежутка.

• Частичные разряды в изоляции. Сложность использования этого диагностического параметра заключается также в периодическом появлении и исчезновении разрядов в зоне дефекта, обусловленном пробоем дефектного изоляционного промежутка. Использование диагностических систем, работающих на основе регистрации и анализа частичных разрядов, также ограничивается низкой помехозащищенностью многих имеющихся на рынке измерительных приборов.