Классификация факторов, влияющих на витковые замыкания в трансформаторах напряжением 6-10/0,4 кВ

Особенностью электроснабжения сельских потребителей является наличие большого числа электроприемников малой мощности. Для их питания используются трансформаторы, установленные в основном на однотрансформаторных подстанциях, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Повреждение их ведет к отключению большого числа потребителей и снижает надежность электроснабжения.

Причины отказов сельских трансформаторов 6-10/0,4 кВ исследованы недостаточно. При этом часто наблюдаются межвитковые замыкания, к которым не чувствительна установленная защита – предохранители ПКТ.

В трансформаторах 6-10/0,4 кВ повреждения продольной изоляции по месту замыкания подразделяются на полные витковые, межслойные и межкатушечные замыкания обмоток. Причем известно, что два последних вида замыкания начинаются именно с межвиткового замыкания [1].

Одним из факторов, влияющих на возникновение межвитковых замыканий, являются заводские дефекты. К ним могут быть отнесены дефекты обмоточного провода, заусеницы на обмотках, слабый поджим витков и др.

Персонал, обслуживающий трансформаторы, не всегда обращает внимание на некоторые особенности работы оборудования. Так, оперативный персонал часто допускает ошибку при устранении аварий (неоднократное включение на устойчивое КЗ) и проведении оперативных переключений.

По причине некачественного выполнения капитального ремонта трансформаторов также возникают межвитковые замыкания. Так, в актах дефектовки трансформаторов, прошедших капитальный ремонт, указываются слабая укладка витков; использование изоляционных материалов, не соответствующих требованиям, и попадание посторонних предметов.

Все указанные факторы – заводские дефекты, слабая организация эксплуатации, некачественный капитальный ремонт – могут быть вызваны низкой организацией службы эксплуатации и производства трансформаторов.

Во время работы трансформаторов на изоляцию обмоток могут воздействовать внешние (грозовые) и внутренние (коммутационные, дуговые и др.) перенапряжения [2]. Коммутационные перенапряжения возникают при отключениях трансформаторов через малый промежуток времени после его включения. Дуговые перенапряжения возникают при однофазном замыкании в сети 6–10 кВ, которые могут существовать относительно долго. Данный процесс имеют много общего с коммутационным перенапряжением [3].

Следующим фактором, влияющим на возникновение межвиткового замыкания, является старение изоляции. Процесс старения продольной изоляции сопровождается изменением ее структуры, физикохимических и механических свойств [3]. Межвитковая изоляция обмоток может подвергаться механическому, электрическому, тепловому и химическому старению.

Механическое старение межвитковой изоляции приводит к возникновению и развитию трещин в твердой изоляции. Динамические нагрузки, воздействующие в радиальном и осевом направлениях, приводят к деформации обмотки и ослаблению поджима витков. Причинами механического старения продольной изоляции также могут быть повышенная вибрация, электродинамические усилия из-за токов пусковых и короткого замыкания.

Электрическое старение изоляции может происходить при рабочем напряжении в продольной изоляции обмоток трансформатора. С увеличением напряжения темпы электрического старения возрастают [4].

Одной из основных причин электрического старения продольной изоляции является появление частичных разрядов. Различают начальные (НЧР) и критические (КЧР) частичные разряды [4].

НЧР возникают в ослабленных местах изоляции, например, у микронеровностей. КЧР имеют мощность для относительно быстрого разрушения слоев бумаги. Они возникают при перенапряжениях и могут сохраняться при рабочих напряжениях, тем самым за короткое время разрушают изоляцию.

Тепловое старение межвитковой изоляции связано с электрической нагрузкой, которая приводит к изменению ее структуры и диэлектрических свойств. Изменение и появление сверхдопустимой электрической нагрузки и прохождение по обмоткам токов перегрузки или короткого замыкания может привести к перегреву обмоток и разрушению изоляции [5].

Химическое старение витковой изоляции происходит из-за ее увлажнения. Влага во внутреннюю изоляцию трансформатора в основном проникает из окружающего воздуха. В некоторых случаях в результате термоокислительных процессов возможно увлажнение самой изоляции [4].

В последнее время в сельских электрических сетях значительно увеличилось число потребителей с нелинейной нагрузкой. Влиянию высших гармоник на работу электрооборудования и на состояние изоляции посвящен ряд научных работ [5–7]. Однако проблема возникновения витковых замыканий по причине воздействия высших гармоник тока и напряжения остается без должного внимания. Изучение и выявление причинно-следственной связи между возникновением витковых замыканий в трансформаторах и наличием высших гармоник в питаемой сети является актуальной задачей.

Исходя из проведенного анализа проведена классификация факторов, приводящих к межвитковым замыканиям в трансформаторах 10/0,4 кВ. Классификация факторов приведена на рисунке.

Классификация факторов, влияющих на возникновение межвитковых замыканий в трансформаторах 6-10/0,4 кВ

Выводы

• 1.    Межвитковые замыкания в трансформаторах в большинстве случаев протекают по времени медленно. Нагрузки, воздействующие на витковую изоляцию, создают в ней кумулятивный эффект, постепенно разрушая структуру изоляции, ухудшают ее состояние.

• 2.    Низкая организация производства и эксплуатации трансформаторов на протяжении всего срока службы является одной из существенных причин возникновения межвитковых замыканий.

• 3.    Трансформаторы 6-10/0,4 кВ, работающие в сельских сетях, особо подвержены воздействиям атмосферных перенапряжений, по причине большой протяженности ВЛ и наружной установки ТП, что приводит к частым межвитковым замыканиям.

• 4.    Основным фактором, влияющим на возникновение витковых замыканий, является старение изоляции трансформаторов 10/0,4 кВ. При этом в ходе эксплуатации трансформаторов витковая изоляция подвергается механическим, электрическим, тепловым и химическим воздействиям.

• 5.    В условиях появления нелинейной нагрузки в сельских сетях актуальной задачей является изучение влияния высших гармонических составляющих тока и напряжения на развитие витковых замыканий в трансформаторах 6-10/0,4 кВ.

• 6.    Приведенная классификация факторов, влияющих на межвитковое замыкание, показывает, что причины нарушения изоляции могут быть связаны или могут проявляться обособленно, что затрудняет поиск решения по защите обмоток трансформаторов от межвитковых замыканий.