Контроль технического состояния силовых трансформаторов методом акустического диагностирования

В последние годы в энергетических цехах предприятий, как и в энергетике в целом, наметилась тенденция к последовательному переходу от системы планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по действительному техническому состоянию оборудования, принятому в развитых странах. Такой переход предопределяет внедрение и развитие различных методов диагностирования состояния электрооборудования.

Одним из наиболее развивающихся диагностических методов маслонаполненного оборудования, и в первую очередь силовых трансформаторов, является метод локации и измерения уровня частичных разрядов.

Причины возникновения частичных разрядов

Частичным разрядом называется электрический разряд, который шунтирует лишь часть изоляционного промежутка [1]. ЧР возникают в локальных дефектах, т.е. в местах, где изоляция ослаблена из-за наличия газовых включений (полостей) или острых кромок металлических элементов изоляционных конструкций (электродов) (рис. 1) [2]. Газовые включения в жидкой или твердой изоляции - это слабые места, так как из-за различия диэлектрических проницаемостей газа и окружающих включения диэлектриков напряженность электрического поля во включениях в несколько раз выше, чем в остальной изоляции и, кроме того,

Рис. 1. Запись ЧР высокоскоростной камерой: а) поверхностный разряд с положительного электрода; б) поверхностный разряд с отрицательного электрода

электрическая прочность газа существенно ниже, чем прочность жидких и твердых диэлектриков. ЧР могут возникать и непосредственно в масле около острых краев электродов, где напряженность электрического поля резко увеличена.

Частичные разряды в масляных прослойках, контактирующих с твердой изоляцией, как правило, приводят к повреждению твердой изоляции и образованию на ее поверхности устойчивых проводящих следов. В зоне этих следов при воздействии перенапряжений или даже рабочего напряжения могут возникать условия для непрерывного развития поверхностных разрядов, которые завершаются полным пробоем изоляции. Таким образом, ЧР представляют большую опасность для изоляции из-за быстрого ее разрушения в локальных зонах и последующего пробоя изоляционных промежутков.

Проблема образования и развития ЧР в изоляции маслонаполненного оборудования высокого и сверхвысокого напряжений в условиях его эксплуатации представляет большой практический интерес для персонала, эксплуатирующего оборудование. В связи с этим в настоящее время на силовых трансформаторах НО кВ центральной электростанции ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») проводятся исследования, основной технической задачей которых являются:

• -    оценка технического состояния маслонаполненного оборудования на основе мониторинга частичных разрядов;

• -    промышленное внедрение измерительного диагностического комплекса анализа ЧР и локации зоны дефектов в изоляции трансформаторов;

• -    экспериментальные исследования разработанных методов диагностирования и программного обеспечения на действующем оборудовании ЦЭС.

Характерные повреждения силовых трансформаторов ЦЭС

На первом этапе проведено исследование причин и условий возникновения повреждений в силовых трансформаторах ЦЭС (табл. 1) за период с

Таблица 1

Силовые трансформаторы ЦЭС

Расположение и назначение	Станционный номер	Тип и завод изготовитель	Заводской номер	Год выпуска /срок эксплуатации (лет)
П/ст-1ЮкВ энергоблок	Тр-р №1	ТРДН- 40000 /110-76У1, г. Тольятти	9835	1978/28
П/ст-1 ЮкВ система	Тр-р №2	ТРДЦН- 63000 /1Ю-76У1, г. Тольятти	13580	1983/23
П/ст-1 ЮкВ система	Тр-р №3	ТРДЦН - 63000 / 1Ю-76У1, г. Тольятти	11964	1981/25
П/ст-1 ЮкВ энергоблок	Тр-р №4	ТДЦНГУ- 80000, г. Москва	927673	1968/38
П/ст-1 ЮкВ система	Тр-р №5	ТРДН -63000/ НО У1, г. Москва	1482839	2000/6
П/ст-1 ЮкВ система	Тр-р №6	ТРДН -63000/ НО У1, г. Москва	1573104	1998/8

2002 года по 2006 год. Для оценки распределения повреждений по классам напряжений использовались данные Департамента генеральной инспекции по эксплуатации электрических станций и сетей РАО «ЕЭС России» табл. 2 [3].

Из табл. 2 следует, что силовые трансформаторы 110 кВ относятся к группе, имеющей самую высокую частоту появления повреждений. Анализ их распределения по основным узлам трансформаторов показал, что наибольшую повреждаемость имеют: высоковольтные вводы - 22 %, обмотки -16%, устройства РПН - 13,5 %. Данные распределения повреждений по основным узлам трансформаторов с учетом срока эксплуатации представлены в табл. 3 [4]. Как видно из таблицы, повреждения обмоток имеют место у трансформаторов с любыми сроками эксплуатации, для РПН наибольшее число повреждений возникает у трансформаторов со сроками эксплуатации 10-30 лет, для высоковольтных вводов - после 10 лет эксплуатации.

Наиболее тяжелым повреждением трансформатора является внутреннее короткое замыкание. Как показал анализ, при повреждениях обмоток внутренние КЗ имели место в 80 % случаев общего числа повреждений обмоток, при повреждениях высоковольтных вводов - 89 %, при повреждениях РПН - 25 % и при повреждениях прочих узлов -36 %, включая ошибки при монтаже, ремонте и эксплуатации.

Локация частичных разрядов акустическим методом

Регистрация ЧР в высоковольтном оборудовании энергосистем в условиях эксплуатации используется для целей диагностики в течение последних 10-15 лет. Контроль состояния трансфор маторного оборудования по характеристикам ЧР показал, что он может быть весьма эффективным.

Известны следующие методы регистрации ЧР [5]:

• -    электрический метод, основанный на измерении сигналов в электрических цепях, связанных с контролируемым объектом;

• -    электромагнитный метод, основанный на дистанционной регистрации электромагнитного излучения ЧР в СВЧ-диапазоне;

• -    оптический метод, основанный на дистанционной регистрации оптического излучения ЧР;

• -    акустический метод, основанный на измерении акустических колебаний, образующихся при ЧР, с помощью устройств контактного или дистанционного типа.

Большие возможности обеспечивает метод локации зон электромагнитной активности на поверхности трансформатора с использованием устанавливаемых на момент измерений датчиков и измерительных устройств [6]. Это позволяет делать надежное заключение о техническом состоянии дефектного узла, включая: изоляцию, барьеры, дугу в магнитопроводе, искрения в РПН. Подобная информация, включающая тип разрядного явления и его место, может быть отождествлена с конструкцией активной части трансформатора. Это позволяет более достоверно прогнозировать надежность трансформатора, так как заключение делается не по общим оценкам характеристик ЧР, а с учетом их конкретного месторасположения. Например, наличие даже очень интенсивных разрядов в элементах крепления магнитопровода не так важно, как довольно слабые ЧР в витковой изоляции.

Исследования ЧР в изоляции силовых трансформаторов ЦЭС осуществлялись с помощью

Таблица 2

Распределения повреждений силовых трансформаторов по классам напряжений

Классы напряжений	35 кВ	ПОкВ	220 кВ	330 кВ	500 кВ	750 кВ
Распределение повреждений, %	29	47	19	2	3	0

Таблица 3 Распределения повреждений силовых трансформаторов по основным узлам с учетом срока эксплуатации

Узел Распределения повреждений с учетом срока эксплуатации,% 10 лет 10-20 лет 20-30 лет более 30 лет Обмотка 14,7 15,9 14,7 18 Магнитопровод 3,6 0 0 0 Система охлаждения 1,2 9 8 0 РПН 7,5 18 13,5 6 Течь масла 7,8 10,2 12 6,9 Высоковольтные вводы 9,6 23,4 24 19,8 прибора типа «AR700», изготавливаемого ПВФ «ВИБРО-ЦЕНТР» (г. Пермь). Прибор применяется для регистрации и анализа акустических сигналов, а также для локации зоны дефектов в изоляции высоковольтного оборудования с возможностью записи результатов измерений в долгосрочную энергонезависимую память с последующим их просмотром и сохранением в базе данных персонального компьютера.

Прибор имеет жидкокристаллический низкотемпературный дисплей с разрешением 240 х128 точек. Комплектуется четырьмя акустическими датчиками частичных разрядов и одним высокочастотным датчиком типа RFCT. Может эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от минус 20 до плюс 50 °C и относительной влажности воздуха до 98 % без конденсации влаги. Состоит из акустического преобразователя и измерительного устройства, соединенных между собой коаксиальным кабелем.

Экспериментальные исследования трансформаторов ЦЭС

Экспериментальные исследования выполнялись на 6 трансформаторах ЦЭС, перечень которых представлен в табл. 1. С этой целью на внешних сторонах бака трансформатора устанавливались акустические датчики прибора «AR700». Выбор места их расположения осуществлялся по следующей методике.

• 1.    Перед началом работы к прибору подключается один акустический датчик и проводится анализ на возникновение акустических сигналов частичных разрядов. При обнаружении зоны возникновения ЧР выставляются четыре акустических датчика на расстоянии не менее 50 см друг от друга. Далее в приборе задается размер бака трансформатора, и выставляются координаты датчиков. Проводится однократная регистрация и по полученным сигналам выставляется порог для обработки.

• 2.    Задается порог сигнала, т.е. величина, принимаемая для обработки (в процентах от максимального значения, на уровне 50% для всех трансформаторов).

• 3.    Устанавливаются настройки шума (в расчетах зоны дефекта принимаются только сигналы выше установленного порога). Пороговые значения варьировались в зависимости от конкретного трансформатора и подбирались экспериментально.

• 4.    Для расчета зоны дефекта все замеры производились в течение 60 секунд.

В качестве примера на рис. 2 представлены результаты замеров частичных разрядов, выполненных на трансформаторе №1 энергоблока ЦЭС. Точки, схематично показанные внутри объемной зоны трансформатора (рис. 2, а), наглядно характеризуют количество и месторасположение разрядов. Акустические всплески, зафиксированные в исходных сигналах, поступающих с датчиков (рис. 2, б), характеризуют амплитуду, частоту и длительность ЧР.

В результате эксперимента при относительно высоких порогах шумов (0,45 В) зафиксировано значительное количество разрядов, распределенных практически по всему объему бака. Обслуживающему персоналу рекомендовано провести дополнительные диагностические обследования технического состояния на предмет развития дефектов.

Аналогичные эксперименты выполнены на остальных пяти трансформаторах, представленных в табл. 1. Подтверждена прямая взаимосвязь частоты возникновения ЧР и длительности эксплуатации трансформатора после капитального ремонта. Накопление информации и обработка сигналов позволят определить количественные характеристики ЧР, перечень которых представлен в [1]. С этой целью даны рекомендации по приобретению и установке на трансформаторах №1-№4 (с наиболее продолжительными сроками эксплуатации) стационарных приборов с целью постоянного контроля за развитием ЧР. Для остальных трансформаторов рекомендовано проведение периодических замеров с частотой не реже одного раза в месяц.

Технико-экономический эффект от проведенных работ заключается в предотвращении аварий силовых трансформаторов за счет повышения эффективности обнаружения неисправностей на ранней стадии их развития.

Выводы

• 1.    Результаты локации частичных разрядов в трансформаторах ЦЭС подтвердили основные достоинства акустического метода:

• -    оперативность - измерение, контроль и последующий анализ результатов проводятся без снятия силового напряжения;

• -    высокую эффективность диагностирования нарушений технического состояния трансформатора и локализации участков возникновения повреждений.

• 2.    Целесообразно внедрение в эксплуатацию аппаратно-программного комплекса «АР-700», реализующего акустический метод регистрации ЧР и обеспечивающего оперативный контроль и диагностирование технического состояния силовых трансформаторов.

• 3.    Целесообразно проведение дальнейших диагностических обследований трансформаторов ЦЭС с применением стационарных приборов анализа частичных разрядов и локации зоны дефектов в изоляции. Целью таких исследований является сбор статистической информации и создание базы данных о техническом состоянии, характере неисправностей и местах возникновения дефектов.

Размеры бака:

Х=550 см;

У=500 см;

Z=200 см.

Координаты датчиков (см):

Канал	X	У	Z
1(7)	550	50	130
2(8)	550	50	180
3(9)	550	100	180
4(10)	550	100	130

Порог сигнала: 50%

Настройки шума:

Канал 1: 0,45 В;

Канал 2: 0,45 В;

Канал 3: 0,45 В;

Канал 4: 0,05 В.

Трансформатор № 1

,_ТД xt

ВШНЕЯИИИИИИВИВ^              ***

Файл Она помощь М ..... ti зй Д^1Л I

б)

Рис. 2. Результаты мониторинга частичных разрядов трансформатора № 1: а) объемная схема бака; б) осциллограммы акустических сигналов